典 型 机 械 设 计 范 例一、薄壁圆筒初圆整专用工艺及设备：
目前我国纺织行业浆纱、印染设备中，多种规格的烘筒零件为薄壁辊筒，直径规格为 Φ570，
Φ800,Φ1200毫米；多采用壁厚 ≤3毫米的
0Cr19Ni19冷轧不锈钢板卷制焊接而成。因其工作转速高，随着纺织产品档次及生产效率的提高，
对辊筒径向跳动，直线度，动平衡等方面的误差限制也越来越严格，为此，需要设计专用设备来满足薄壁圆筒生产加工中的特殊要求。
以 Φ800，筒体长 2000毫米的辊筒为例，其加工工艺流程为：下料 → 卷圆 → 焊接 → 修磨焊道（
初圆整） → 酸洗钝化 → 二次圆整检修 → 精圆整 → 焊接两端堵头，心轴 → 机加工实现心轴与筒体的同轴抛光图1
度要求。
传统的二次圆整检修，是采用手工操作的方式，象敲制铁皮烟筒一样，凭肉眼感觉检查，不合格再返回来修整，其缺点是生产效率低，占地面积大，工人劳动强度高，一件产品需要几次反复修整操作，检修精度也相对较低。为此，我们设计了专用薄壁筒体圆整检验修整平台。
薄壁筒体圆整检验修整专用平台由两组滚轮组成，其中 4个钢制滚轮为检验轮；另外 4个包胶轮为修整轮。 4个钢轮及图上方的两个包胶轮为固定支承（轴承座位置无法调整），图下方的两个包胶轮轴承座安在一个活动滑台上，由减速电机及丝杠螺母驱动；当丝杠驱使平台及从动胶轮上行时，主动胶轮与从动胶轮中心距减小，放置在检修平台上的
1、底座； 2、主动钢轮； 3、钢轮通轴； 4,7,10,13链轮； 5、
12、链条； 6、摆线针轮减速机； 9、胶轮通轴； 11,18、联轴器；
14,19,22,26、轴承座； 15、主动胶轮； 16、多盘无极调速器；
17、电动机； 20、驱动螺母； 21、丝杠； 23、活动滑台； 24、滑座及轨道； 25从动胶轮； 27、从动钢轮； 28、检验平尺。
薄壁筒体会被 4个胶轮托起，此时可将检验时发现的不圆度超差处用木榔头手工修整；修整结束后，
用驱动滑台的减速电机驱使滑台下行，使从动胶轮与主动胶轮的中心距加大，逐步使平台上的薄壁筒体脱离胶轮，并支撑在 4个检验用的钢轮上。
图上方的两个固定主动钢轮和两个固定主动包胶轮，都采用通轴连接；在两根通轴上设计安装有三个链轮，其中两个主动钢轮通轴间的链轮与两个主动胶轮通轴间的链轮用一链条连接，当两链轮齿数比为 1时，两主动钢轮与主动胶轮之间可实现同步转动。
两主动胶轮间的另一个链轮，通过链条与摆线针轮减速机上的链轮连接，由电动机，多盘无极调速器、联轴器、摆线针轮减速机组成的原动机系统驱动，即实现两个主动胶轮与两个主动钢轮的同步转动；当平台上的薄壁筒体由 4个胶轮托起时，由主动胶轮通过与筒体接触处的摩擦力，
驱动薄壁筒体转动；当薄壁筒体由 4个钢轮支承时，也由主动钢轮借助接触处的摩擦力，驱使筒体转动，转速可由多盘无极调速器在 1,10范围内调整。
在平台的最外边（下方）自由放置一根检验平尺，其支承高度与筒体在检验钢轮上支撑时轴心线水平。当筒体由主动钢论驱使转动时，碰动（平移
）检验平尺，并直观的通过筒壁与平尺的间隙，
显示筒体圆周不同位置的不圆度误差，工人可随机做出记号，以备修整。
二、精圆整设备：
由于辊筒工作转速较高，设备的转动精度和运行平衡性精度也有较高要求，因此对筒体零件的径向跳动、直线度等方面都有严格的公差要求，
在薄壁筒体零件的成形加工工艺中，精圆整工艺成为影响产品质量的关键，需要专用设备来解决精圆整工艺的难题。 为解决薄壁筒体精圆整加工的工艺难题，笔者设计了精圆整专用设备。薄壁筒体精圆整专用设备的具体结构如图所示：主要由原动力机构、壳体机架、行星走刀机构、滚压头、活动尾座等部分组成。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉图中 1、底座； 2、减速机； 3、联轴节； 4、行星走刀机构； 5、丝杆； 6、上壳体,7、下壳体； 8、滚压头； 9、主轴； 10、支承坐； 11、活动尾架。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉在精圆整加工前，先将活动尾座转动 90°,把初圆整后的薄壁筒体，套在主轴和滚压头上，由专用铸铁壳体固定，再回转活动尾座，用滑动轴承支承固定主轴。精圆整时，原动力机构 2通过电机、
皮带轮、蜗杆减速机构，为主轴提供一均匀的输出转动，转速为 100r/min。行星轮走刀机构在支承主轴转动的同时，通过五个齿轮组成的行星轮系及两种位置组合变换，驱使固定支承在转动主轴上的丝杠 5以 67.33r/min和 333.33r/min两种转速转动，其中低速 67.33r/min为工作进给速度。高速 333.33
r/min为滚压头快退速度。在转动主轴上设计有长度大于 2000mm的长键槽，其作用是驱使滚压头 8在与主轴同步转动的同时，又用转动丝杠驱使滚压头沿主轴轴线方向水平匀速移动。 这样，工作进给时，
滚压头以 100 r/min的转速和 404 mm/min的水平移动速度，由走刀机座 4向尾座 11方向复合运动，
最终实现滚压头相对于固定在机架壳体内薄壁筒体内壁的螺线复合走刀进给运动。滚压头滚轮作用在筒体内壁上的滚压力由压缩弹簧产生。薄壁筒体通过滚压头多点滚压力作用，紧贴在专用壳体内壁，随着滚压头匀速螺旋复合进给运动，产生相应的弹性、塑性变形，整遍滚压后使刚性壳体的尺寸形状精度，满足薄壁筒体的各项尺寸公差要求。
工作进给完成后，滚压头以 2000 mm/min的快退速度返回到走刀机架 4的一端，然后松开壳体紧固螺栓，用顶丝顶起上壳体 6，再松轴承 10及尾座
11的紧固螺栓，转动尾座 90°,即可取出滚压精圆整后的薄壁筒体零件。
从上述结构动作可见，薄壁筒体的精圆整是通过无屑滚压工艺来实现的，根据金属变形理论，
工件表面在挤压力作用时，被挤压金属的原子间会产生相对滑移，由弹性塑性变形造成被滚压表面的形状改变，并使其内部组织结构和物理性能也发生变化，使金属被挤压层组织紧密，晶粒细化，晶格形状也沿着变形方向扭曲延伸。由于薄壁筒体被固定在一个理想的刚性壳体内，在滚压力作用时，薄壁筒体不仅会产生不大的径向变形
（因壳体限制），还会轴向产生挤压延伸。一般情况下，薄壁筒体受挤压力越大，其塑性变形越充分，滚压所达到的圆整效果越佳。同时，在被挤压金属表层还会产生极大的压缩应力，使金属表层冷作硬化，提高薄壁筒体的表层硬度，强度极限、屈服极限和疲劳极限等，改善筒体表面粗糙度，并使零件表面抗腐蚀性能也有所提高。这一切对薄壁筒体的使用性能提高都是十分有利的。
薄壁筒体精圆整专用设备的主要结构介绍,
1、壳体机架,壳体机架为铸钢件，壳体分为上下两半，如图 2,1,4 所示，安装筒体零件时，
可将上壳体用顶丝顶起。待筒体零件安装就位后
，再用螺栓将上下壳体联接固定。壳体内孔壁尺寸公差及表面粗糙度对薄壁筒体的最后定形精度有致关重要的直接影响，因此需要专用设备工艺进行壳体内壁镗孔加工。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉
2、行星轮走刀机构；
走刀机构的具体结构如图 3所示。齿轮 14用键与主轴固定联接，齿轮 8与套 20紧配后空套在主轴 10上，齿轮 15与丝杠 17固定，丝杠 17由两个托脚 11及 9固定在主轴 10上，由齿轮 15并通过齿轮 8驱使转动。双联齿轮 5,6与套紧配后，活套在销轴 7上，并沿齿轮支架 4作上下、啮合和脱离的调整移动。
当滚压头按要求工作进给时，通过螺旋操作手轮使齿轮支架 4下移，使双联齿轮 5,6与齿轮 8
,14处于啮合状态。当齿轮 14随主轴同步转动时
，齿轮 14,5,6,8,15及丝杠托脚 9组成差动混合轮系，驱动齿轮 15并丝杠 17转动，再通过滚压头圆盘上的导程支撑架 托架 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架主轴 托脚 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面轴承 套 套 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮图3
螺母传动，使滚压头沿主轴作轴向进给运动。按图 3所示各齿轮齿数，滚压头工作进给时，按主轴转速 n1=100r/min滚压头工作进给时的移动速为：
m i n/33.6714
3
7
1 0 0)(
3
7
)(
63
27
m i n/1 1 4
6319
2165
1 0 0
.
1145
1
4
5
15
14
5
4
45
4
42
31
1
14
1
4
31
42
4
1
14
rnnnn
nn
z
z
nn
nn
nn
nn
i
rn
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zz
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i
n
n
zz
zz
n
n
i
H
H
HH
V1=S× n5=6x67.33=404mm/min，（ S为丝杠导程）
图4
齿轮支架 轴套架 托架 连杆 卡爪主轴 齿轮导程支撑架 托架 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架主轴 托脚 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面轴承 套 套 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮图3
当滚压头滚压结束，按要求快速返回时，可转动手轮使齿轮支架 4上移，使双联齿轮 5,6与齿轮
8和 14脱离啮合位置，同时齿轮 8被齿轮支架 4上的联动夹紧机构锁紧，如图 4所示，变为固定齿轮，
n4=0，这时齿轮 14,8,15及丝杠托脚 9组成行星轮系,此时：
m i n/33.3 3 31 0 0)1 0 0(
3
7
63
270
'
5
4
5
1
'
5
1
'
5
4
45
rn
z
z
nn
n
nn
nn
i
H
HH
滚压头快退速度为：
V2=S× n’5 = 6× 333.33 = 2000 mm/min3、滚压头部分：
滚压头是薄壁筒体精圆整专用设备的关键部件，其结构如图 5所示。滚压圆盘通过滑键 12与主轴 11联接。主轴 11的外圆上加工有与滑键 12动配合，且满足工作进给行程需要的长键。在滚压头与主轴同步转动时，通过丝杠螺母传动，使滚压头沿主轴轴向移动，实现滚压头相对于筒体内壁的螺旋线复合进给运动。滚压盘 7上装有多个等分布置的弹性滚压轮（图中为 3个，也可以设计成 4个,6
个）。滚压轮的径向压力是靠压缩 弹簧 2产生的。
在滚轮架 5的一面上加工有相当于直齿条的齿形，
转动齿轮轴 1，通过齿轮齿条啮合传动，
图5
1.齿轮轴 2.弹簧 3.滚轮 4.销轴 5.滚轮架
6.压板 7.滚压圆盘 8.螺母 9.撑牙 10.棘轮
11.主轴 12.导向键 13.盖板 14.工件可调整滚压轮的预加滚压力。撑牙 9和棘轮 10用于锁紧齿轮轴 1，使其调整后的预加滚压力得以保持，避免齿轮轴承受冲击载荷时出现反向转动。
4、活动尾座支撑部分：
活动尾座支撑部分如图 2所示。滑动轴承 10安装在尾座 11上，用矩形导轨联接，使滑动轴承 10可相对尾座沿主轴轴线前后移动，用于支承主轴转动。
当筒体完成滚压的工作进给后，通过快退运动使滚压头退回至靠近走刀机架 4处，然后松开上下壳体 6
,7中缝联接处的紧螺栓，通过顶丝使上壳体 6抬起
。这时可旋转尾座 11上的操作手轮，使轴承座 10在丝杠螺母机构的相对转动中，沿矩形导轨即主轴轴心线方向向外退出，使轴承座与主轴脱离，（借助其它辅助机构临时托起主轴），然后松开尾座 11上的压紧螺栓，推动尾座沿设备底座 1上的圆弧轨道转动 90° -180°,工件即可沿主轴方向装入或退出。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉薄壁筒体精圆整专用设备（号称擂圆机）在郑州纺织机械厂冷二分厂制作并投入使用后，圆满解决了薄壁筒体精圆整的工艺难题，确保了产品质量
。按前述走刀运动速度分析计算，每个薄壁圆筒精整加工中，工作进给五分钟，快退一分钟，加上装卸工件的辅助时间约九分钟，十五分钟可完成一个
800mm薄壁圆筒的精圆整加工，生产效率相对较高，满足了郑州纺织机械厂生产计划的基本要求。
实践证明，对于薄壁深孔筒体实施滚压加工工艺，是一种十分行之有效的方法，除获得较高精度
，改善工作表面粗糙度外，还可以提高筒体零件的表面硬度，使用性能和抗腐蚀性能。当然，此工艺方案，工人操作相对比较繁索，为此我们也在实践中不断探索更为先进、有效的工艺方法。
三、薄壁圆筒切割专用设备：
薄壁筒体零件图如图一所示,在精圆整后,两端焊接端面堵板,心轴之前,薄壁筒体两端面须精切割加工,以保正筒体 2000± 0.5的长度尺寸精度,和两端面基本平行的形状误差要求,由于板料的形状尺寸有误差,卷圆焊接后筒体两端面难于平行,加上精圆整采用冷滚压工艺后,筒体延长度方向有一定量的延伸,故薄壁筒体的两端面精割,需安排在精圆整工序之后,此类不锈钢薄壁筒体直径大,壁薄,刚性差
,无法采用通用机床进行两端面精切割,采用其它简单工艺如砂轮片切割,割管器切割效果极差,很难满足加工要求,为此,需设计制造专用的薄壁筒体端面切割设备,
图1 薄壁筒体零件图
1、薄壁筒体两端面切割专用设备的结构及工作原理,
根据郑纺机厂的产品特点及薄壁筒体的加工精度要求,笔者设计的两端面专用切割设备如图 2所示
:设备可分为薄壁筒体固定夹壳与刀架旋转机构两部分组成,
图 薄壁筒体端面切割专用设备外形图驱动电机 传动皮带 圆柱齿轮减速机 4,固定中心齿轮
5.行星齿轮 6.旋转刀架 7.上半壳体 8.下半壳体薄壁筒体固定夹壳分为上下两半,下半壳体 8较长,
后部设置有两组定位桩,以解决薄壁筒体两个端面加工的长度定位要求 ;上半壳体 7很短,也较为轻便,
采用专用螺栓与下半壳体固定连接,安装筒体零件时,需松开螺栓,拿掉上半壳体,待筒体零件就位后,
再装上半壳体,并用螺栓固定,使被加工壳体紧固定在夹壳内,上下壳体内圆孔的圆整度由机械加工来保证,不圆度误差小于 0.2毫米。
刀架旋转机构由驱动电机 1,皮带轮 2,两极圆柱齿轮减速机 3及旋转刀架 6等部分组成,其中,旋转刀架 6
固定安装在圆柱齿轮减速机 3的低速输出轴上,通过皮带 2,齿轮传动减速 3,实现刀架低速转动,旋转刀架
6的内部结构如图 3所示,由刀头 1,导向套 2,活动刀杆
3,导向键 4,驱动螺杆 5,蜗轮 6,蜗杆轴 8,行星齿轮 7
1
图 旋转刀架内部结构刀头 导向套 活动刀杆 导向键 驱动螺杆 蜗轮行星齿轮 蜗杆轴 旋转刀架 中心轮 固定法兰减速机输出轴 圆柱齿轮减速机图 旋转刀架内部结构刀头 导向套 活动刀杆 导向键 驱动螺杆 蜗轮行星齿轮 蜗杆轴 旋转刀架 中心轮 固定法兰减速机输出轴 圆柱齿轮减速机及旋转刀架 9 等部分组成,我们在圆柱齿轮减速机输出轴 12的外壳上固定安装一个中心齿轮 10,当旋转刀架 9 低 速转动时,与蜗杆轴固联的行星齿轮
7,在围绕中心齿轮 10公转的同时,自转驱使蜗杆轴 8
转动,蜗杆 8又驱使蜗轮 6低速转动 ;蜗轮 6与驱动螺杆 5由键联结同步转动,与驱动螺杆 5螺纹配合的活动刀杆 3,受导向套 2和导向键 4约束无法转动,当驱动螺杆 5转动时,活动刀杆 3只能沿轴线方向伸出或缩回,这样,当旋转刀架匀速转动时,活动刀杆 3及刀头 1缓慢伸出,实现薄壁筒体由内向外的端面切割 ;
电机反转时,活动刀杆 3及刀头 1又缓慢缩回。
2.系统传动比计算说明,
刀架旋转机构的运动简图如图 4所示,其中带传动比
i1=3,圆柱齿轮减速机传动比 i2=40,中心齿轮齿数
Z5=60,行星齿轮齿数
Z6=30,蜗杆头数 Z7=1
,蜗轮齿数 Z8=40,电机转速为
n4=1440r/min.
带传动比1:3
减速机传动比图 刀架旋转机构运动简图可算得刀架转速,
n4=n1/i1*i2
=1440/3*40
=12r/min;
蜗杆转速,
iH65=(n6-n4)/(n5-n4)
=-Z5/Z6=-60/30=-2;
(n6-n4)/(0-n4)=-2;
n6=3n4=3*12 =36r/min;
蜗轮及螺杆转速,
n8=n6/i78=n6× Z7/Z8= 36× 1/40 =0.9 r/min;
驱动螺杆螺纹为单头普通螺纹,故刀头每分钟切削进给深度为 1.8毫米,加上辅助工作时间,每小时能完成
5— 10件薄壁筒体的两端面加工,加工精度满足了图纸的要求,该项专用设备投入使用后,圆满解决了薄壁筒体两端面的切削加工难题,满足了郑纺机厂流水作业生产线的加工效率要求,为提高产品质量发挥了积极作用,受到了现场工人的好评,
四、钢制圆筒过盈热装配工艺与技术装备
1、原有钢制圆筒过盈热装配工艺存在的问题：
工业设备中有许多重要零部件是用厚壁圆筒过盈热装配后加工而成的，如纺织印染机械中的烘筒，导布辊筒；皮带输送机上的托辊等等，有些还是压力容器，如图一所示，一般都由心轴,闷头、厚壁圆筒体采用高温过盈热装配工艺，将圆筒两头加热到 500--600℃,把闷头热装配在滚筒内，按照热涨冷缩原理，待滚筒自然冷却后将闷头抱合成一体；机械加工时，为了尽可能减小动平衡误差，以圆筒外径为定心基准加工两头心轴外圆。这样，一方面降低了滚筒零件的加工成本，
减小了心轴与圆筒的不同轴度误差，还减轻了零烘筒类零件,1、心轴,2、闷头； 3、厚壁筒体图一、过盈热装配工艺加热的典型零件件自重，另一方面也节省了材料；因此是机械加工行业最常采用的制造工艺。
在上述制造工艺中，厚壁圆筒两端加热是实现热装配工艺的关键，许多工厂采用烧焦碳地炉的落后工艺，浪费了能源，影响了环保，工人劳动强度大，生产效率低，安全条件差，特别是一些直径较大的圆筒，因焦碳深埋不住筒体，造成加热不均匀、过烧等问题，常须多次返工才能勉强装配，严重影响了产品质量，是急待解决的工艺难题。为此，笔者在郑州纺织机械厂参与了厚壁圆筒过盈热装配炉的工艺方案研讨与设备设计。2．相对落后的热装配加热工艺在调研中，笔者看到有些厂家采用开放式煤气
（或天然气）地炉的加热方案，如图二所示，在一条地沟中设置一个长长的大气式烧咀，烧煤气或天然气，被加热圆筒按流水线装配工艺沿地沟滚动加热，为提高加热效果，被加热圆筒上遮盖一些保温耐火材料。经实地考察，虽然此方案满足了流水线作业的要求，但大气式烧咀发热量低，多用于铸工造型烘干，用在地炉上效果极差，经常是贴近火焰的零件表面温度高，一旦转到上面，温度严重下降，加热极不均匀；加上保温措施不利，只能勉强用于小直径的圆筒加热，且零件表面氧化严重，
加热温度不够高，现场工人反映不如原有的焦碳地炉好用。
另外，笔者也看到一些厂家采用的专用台车式炉加热方案，如图三所示。炉型象简单的铸工定性炉或锻工炉，需加热圆筒被放置在台车上，将加热端推入炉膛加热，待加热后出炉热装配，此方案加热温度比较均匀、到位，但不符和流水线作业要求，台车一次加热辊筒太少，工作效率太低；加热辊筒多了，装到最后温度下降太多，影响装配效果；而且工人高温操作环境恶劣，劳动强度大，卸车工作条件危险；再加上装料较多或加热大直径辊筒时，炉膛透热面积较大，热损失较多，加热效率上不去。此方案因工作效率低，
工人劳动强度大，尽管在许多工厂使用，也不受现场工人欢迎。
1、煤气烧咀； 2、被加热辊筒； 3、台车； 4、台车式炉窑； 5、吊挂式炉门。
图三、台车式加热炉
3．热装配专用设备的工艺方案及结构设计
1、炉体地沟加热区； 2、地沟烧咀； 3、耐火纤维侧炉门； 4、被加热辊筒； 5、耐火纤维吊挂炉顶； 6、炉顶烧咀； 7、炉门配重； 8、
耐火纤维炉后墙； 9、耐火纤维炉前门。
图四、过盈热装配专用加热炉根据上述方案的调查比较，按照流水线作业的工艺要求，笔者提出了新的设计方案如图四所示。
采用炉底、后墙、炉顶三面固定，炉前面、两侧面共三个活动炉门随机调整密封的炉型结构。炉底地沟采用耐火砖砌制；地沟以上后墙、炉顶采用硅酸铝耐火纤维轻型结构，具体作法是：先用槽钢、角钢型材焊成炉体钢架，在钢架上焊接固定钢板网（也可以是粗铁丝网，但镀锌铁丝不太好焊接），用细铁丝把耐火纤维压缩块临时捆扎在钢板网上，再用专门的耐火泥粘接剂外敷在炉后墙和炉顶表面，透过钢板网孔粘接固定硅酸铝耐火纤维，形成严密的隔火炉墙，待耐火泥粘接剂干结后形成坚硬的墙皮壳体，既保护了硅酸铝耐火纤维使之免于风化和受潮，又密封了炉墙炉顶，形成可靠的轻型炉顶。（此外，采用传统耐火砖炉型，很难作成单墙体悬空吊顶。）从而实现了炉底炉顶炉后墙三面固定的设计要求。炉体两侧及前面有三扇吊装活动炉门，根据炉膛进料出料要求随机启动两侧活动炉门，而后随时封闭；再根据辊筒直径调整前门开启高度，最大限度的减少炉膛热量损失，提高加热效率。炉膛采用上三下四共七个烧咀供热，最大耗气量为每小时七百立方米。在加热小直径辊筒时，可只采用地沟里的四个烧咀供热；加热大直径辊筒时上下七个烧咀同时供热，提高了炉体适应能力，增加了辊筒与火焰的接触面积与时间，有效提高了加热速度。此炉汇集了流水线地炉与台车式炉窑的优势，在炉型设计上有所创新。
1993年 4月，该设计项目按图纸施工就绪后，一次试炉成功，经十年的实际使用，充分显示了各方面的优越性，具体表现为以下几点：
1）．与原焦碳地炉相比，生产效率提高三倍左右，
原来需要二至三班作业完成的热装配任务，现在一班作业即可十分轻松的完成；原来烧焦碳地炉紧张时，每日两班尚不能满足车间生产的节拍要求，现在两日一班即可满足生产计划定额，所以，此炉型解决了郑州纺织机械厂工业生产的关键。许多外地厂家也纷纷来厂参观学习，并就相关炉型结构问题与笔者交换意见，客观展示了该炉型受欢迎的程度。
2）该热装配专用炉的设计成功，可从根本上彻底结束热装配工艺直接烧煤的落后作业方式，改善了现场操作工人的劳动条件，大大降低了操作工人的劳动强度，改善了周围的工作环境，消除了粉尘污染，解决了郑州纺织机械厂长期悬而未决的技术难题，受到了现场操作工人的好评。
3）经初步测定，该热装配专用炉热效率在 15%以上。
4．进一步改进意见：
1）目前采用烧咀仍是上世纪五、六十年代使用的低压煤气烧咀。如能选用新型节能型燃烧装置，定可进一步提高热效率，降低能耗。
2）由于热装配流水作业的特点，决定了该炉型只能开放性燃烧，不论炉体是否设计烟道，烟气都会通过辊筒出现在炉前，造成高温；在炎热的夏天，
炉前工况仍不十分理想，仍需要进一步强化炉前的通风配套设施。
3）虽然该炉型一次试炉成功，但期间风险重大，
如烧咀阀门不严或炉前通风不良，形成炉前煤气淤积，贸然点火就回造成严重的人身伤亡事故。
故笔者建议，一定要特别重视炉前配套通风设施的完善、可靠性。
4）为防止炉顶、后墙透火，硅酸铝耐火纤维的施工可靠性致关重要，所以，必须由有经验的来施工，避免炉体工作时透火，造成电线、煤气管道受热，形成难以想象的重大工伤事故和损失。
五、平板下料自动切割的环保工艺及技术装备
1,氧乙炔焰,等离子弧自动切割设备的环保问题：
氧乙炔焰，等离子弧全自动切割设备，采用两台伺服电机驱动割炬作任意平面运动，用计算机编程控制，可实现 8— 40毫米不锈钢板,10— 200毫米碳素钢板的零件或毛坯，任意形状尺寸的全自动切割；其加工精度好，工作效率高，是取代人工氧乙炔焰切割的重要设备，深受机械加工行业用户的青睐，并在众多机械加工工厂广泛使用。郑州纺织机械厂现有两台全自动切割机，一台是瑞典 ESAB
公司生产的数控火焰等离子切割机，最大切割宽度为 2500毫米，最大切割长度为 4700毫米；厚度：等离子切割不锈钢板 8— 40毫米；氧乙炔焰切割碳钢板 10— 200毫米；切割速度：等离子,450— 110
mm/min；氧乙炔焰,450— 180 mm/min;另一台是哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司生产的数控火焰等离子切割机，型号 DHG 5011;导轨跨距 5000毫米，导轨总长 14400毫米；有效切割宽度 4300毫米，有效切割长度 12400毫米；最大空行程速度
12000mm/min;切割速度 6000 mm/min;切割厚度：
氧乙炔焰切割碳钢 5— 200毫米，等离子切割不锈钢 1— 50毫米。然而，氧乙炔焰，等离子弧在中厚度钢板切割时，会产生大量的有害气体烟尘，并伴有很大的噪音；这也是长期困扰用户，影响操作现场工人健康的一大突出问题。
2、氧乙炔焰，等离子弧全自动切割的环保工艺及设施：
为了排除氧乙炔焰，等离子弧在中厚度钢板切割时产生的有害气体烟尘，笔者在郑州纺织机械厂设计过专用防尘排烟设备，如图一所示：中厚板全自动切割设备的排烟系统由集烟箱及板料支撑架，
抽风系统两大部分组成。被切割的整张钢板盖放在集烟箱上方，由集烟箱内的许多尖点 03支撑，在集烟箱与上盖钢板间形成相对封闭空间，并由抽风系统 10在此封闭空间内形成负压，所有缝隙作为补风口。当全自动切割设备在割炬 5处切割钢板时，产生的有害气体由集烟箱内的负压吸入收集起来，通过吸风罩 09，排烟管道及抽风系统 10排出厂房。
图一、中厚板全自动切割设备排烟系统集烟箱及板料支撑架； 纵向筋板； 横向筋板及板料支撑尖点； 被切割板料； 割炬； 割炬夹持器； 横梁轨道及割炬横向驱动系统； 纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统； 烟尘收集吸风罩；
排烟管道及抽风系统。
采用这一方案，在整张钢板刚开始切割时，由于补风面积小，负压大，排烟效果尚可；但上盖钢板被切除一半或一半以上时，补风面积太大，
负压衰减严重，常需要工人铺盖其他平板调整负压，给操作工人带来许多麻烦。有些工人懒于调整负压，结果厂房内经常乌烟瘴气。加上抽风机的抽风噪音，使厂房噪音高达 100分贝以上。另外、吸风罩 09、排烟管道 10占据了厂房内很大的空间，又不允许磕碰，使操作工人感到十分不方便。将污浊的烟尘直接排放到厂房外大气中也十分不妥。
为解决上述问题，笔者设计了第二套环保工艺方案如图二所示：加大加高原来的集烟箱，变集烟箱为集水箱，拆除原有的通风管道，在原有的吸风罩位置增设循环水系统，循环水系统由水泵管路及集水槽组成。被切割钢板依然用尖点支撑平放在集水箱内，此时集水箱内水面低于被切割钢板平面，以便于氧乙炔焰割炬点火。欲切割钢板时，先点燃割炬，然后将集水槽内的循环水用水泵抽入集水箱，让水淹没钢板，使割炬在水下切割。这样，切割钢板时产生的有害气体烟尘全部淹没并大部分溶解在水中。采用此工艺方案，
厂房内空气质量大为提高，有害气体浓度明显降低，节省了原有排风管道占据的空间，并且使厂房内噪音控制在 70分贝以下。操作工人的工作条图,全自动切割水循环系统排烟装置
、集烟箱及板料支撑架；,纵向筋板；,横向筋板及板料支撑尖点；,被切割板料；,割炬；,割炬夹持器；,横梁轨道及割炬横向驱动系统；,纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统；
、水泵及抽水管道；,电磁阀及排水管道；,集水箱。
件得到了明显的改善。
尽管氧乙炔焰、等离子弧割炬水下切割效果不错，但也产生了新的问题，当被切割钢板局部变形或局部支点不平使钢板局部翘起时，由于浑浊的循环水淹没了割炬切割位置，无法看清割炬的切割状态，当割炬碰着水下的翘起钢板高点时，
要么割炬被撞坏；要么割炬偏转变形，影响了零件的切割效率与质量。为此，需设计专用装置，
将割炬的异常状态反馈给操作工人，以便于操作工人及时调整处理。3、自动切割机水下切割防撞机构的基本结构及工作原理笔者设计的全自动切割机机械式水下切割防撞机构如图二所示：该机械式防撞机构代替原切割机割炬夹头；
割炬夹头；
球面座；
球面端盖；
顶块；
滑套；
撞块；
连接块；
滑键；
壳体；
弹簧；
底盖。
图二、机械式防撞机构装配图的割炬夹持器 06，并安装固定在相应位置；防撞机构主要由：割炬夹头 01,02；球体接头 03,04；滑套 06及相关的壳体 10，球面端盖 04，弹簧 11等部分组成。割炬夹头分为 01,02两部分，通过螺栓连接固定割炬，并用螺钉将 02固定在球面座 03上。球面座 03的大凸球面与球面端盖 04的凹球面配合铰接；
受力时，球面座 03可相对球面端盖 04转动。球面座
03小球面端用螺钉固定有两个顶块 05，其凸曲面与滑套 06一端的两个凹曲斜面想吻合；当割炬受阻使球面座 03相对壳体 10偏转时，球面座 03上的顶快 05
将通过凸曲面迫使不能转动的滑套 06沿轴线方向滑移。滑套 06上装有固定的滑键 09，可在壳体 10的通键槽内滑动，并限制滑套 06转动。滑键 09上用螺钉安装固定有连接块、撞块 08,07，透过壳体 10上的长圆通孔与滑套 06同步沿壳体 10键槽滑移，并以撞块 07撞击行程开关（或接近开关）产生报警信号，并使割炬驱动电机断电制动。滑套 06由弹簧
11顶紧，在人工调整割炬高度时及时复位。
在割炬正常切割工作时，防撞机构内所有零件静止不动，相当于一个刚性的割炬夹持器。因球面座 03与滑套 06环形平面接触，割炬向下的重力无法使球面座 03向下偏转。因此沿割炬轴线上下方向的作用力对防撞机构都不产生任何影响。
当割炬向右行走碰到工作阻力时，通过夹头 01
,02迫使球面座 03压迫滑套 06克服弹簧 11的阻力滑移，并使撞块 07撞击行程开关，发出警报信号
，使驱动电机断电制动。
当割炬前后行走碰到工作阻力时，引起割炬偏转，进而使夹头 01,02，球面座 03及凸块 05同步偏转，通过与滑套 06吻合的斜面，迫使不能转动的滑套 06并撞块 07沿水平线滑移，同样撞击行程开关产生报警信号，使驱动电机断电制动。
当操作工人接到报警信号，调整好割炬相对钢板的切割距离后，防撞机构复位，切割机又可以继续切割。
氧乙炔焰、等离子弧全自动切割设备，采用文章介绍的水下切割工艺及装置，较圆满的解决了工作现场的环保问题。故笔者认为，文章介绍的环保工艺及装置，具有十分重要的推广价值与实用意义。
六、宽砂带磨削去除薄板零件毛刺的设备薄板平面零件冲压加工或激光切割,等离子弧切割后，周边总会产生一些飞边毛刺。采用通用平面磨床修理周边毛刺、飞边，效率低，工时费用较高
。采用电动砂轮机和砂布带轮手工修理，工时费用低，但工人操作安全性较差，工作效率不高。当厚度不大的平板类小零件品种、数量较多时，需要设计专用设备来处理平板类零件周边的飞边毛刺加工工艺问题。
一、去毛刺专用砂带磨削设备的结构特点及工作原理：
根据宽砂带磨削，一次磨削宽度大，磨削效率高的特点，笔者设计了专用宽砂带磨削设备，如图图 1 宽砂带磨削去毛刺志用设备
1砂带磨削头 2 宽砂带 3 压缩弹簧 4 浮动从动带轮 5 磁性工作台
6 磨削工件 7 传送带机构 8 料箱及挡板 9 蜗轮 10 丝杠 11 蜗杆机手轮 12 皮带张紧机构
1所示：主要由砂带磨削主动力头 1，传送带机构
7及磁性工作台 5三部分组成。该专用设备采用
500mm宽砂带，由皮带传动方式组成砂带磨削头
，由电动机直接驱动。砂带的张力由两组压缩弹簧 3产生，并自动调整。
需去毛刺的平板类工件由人工摆放到传送带 7的右端，摆放时零件的飞边毛刺面朝上，由传送带自动输向磨头。当进入工作台 5的磁性区域时，靠磁铁将零件吸贴在帆布传送带上。当砂带对工件表面磨削时，依靠工作台的磁性，吸住工件与输送带同步通过砂带磨削区域。当传送带驱使工件离开工作台磁性区域时，工件自动消磁，到达传送带左端主动轮 7处，依惯性力方向自动脱离传送带，甩入料箱 8中。
二、几点工艺问题的说明：
1、宽砂带磨削：
目前砂带磨削在国内已有了多年的成功经验，
主要用于木工抛光，而且砂带宽度多小于 200mm
，这是由于砂带环形粘接后，喇叭口问题始终解决不好，砂带越宽，砂带两端张力相差越大，越容易出现砂带起皱，走偏。笔者设计的砂带磨削设备采用 500mm宽砂带，由于从动带轮两端采用两组压缩弹簧 3自动张紧，对先天形成的喇叭口有一定的适应性。另外，主动带轮采用鼓形，中间大
，两头小，使砂带中间张力大于两端。从动带轮两边加工有旋向相反的螺旋槽，在从动带轮与砂带接触产生摩擦力的同时，两边向外产生不大的拉力。
本设备在试验阶段，没有出现十分明显的砂带起皱，走偏现象，但应注意使工件摆放均匀，尽可能避免宽砂带两边摩擦力相差太大。2、磁性工作台的调整：
磁性工作台的调整包括磁力调整与工作台高度位置调整。
在砂带对工件磨削时，工作台磁力太小，将无法驱使工件与输送带同步通过磨削区域，甚至会使工件沿砂带运动方向飞出去，造成工伤事故。但磁力太大，又会增加皮带输送机的工作阻力。因此，
针对不同厚度尺寸工件的固定需要，工作台磁力应能调整。该专用设备的工作台选用 M 7120平面磨床的工作台，采用工作台与帆布传送带间贴加非导磁材料的办法，通过固定不同厚度的不锈钢板或四氟塑料板，来调整工作台对工件的磁力大小。
在平板零件去毛刺磨削时，针对不同厚度的工件，工作台相对磨削头的位置高度，需作相应调整。另外，磨削力的大小很大程度取决于磨头对工件的正压力，磨削力的调整，也需要由工作台高度调整来实现。该专用设备的工作台高度位置的调整，通过图 1所示机构中蜗轮蜗杆和丝杠螺母传动机构来实现。如图 1所示，转动手轮驱动蜗杆，带动蜗轮 9转动。蜗轮 9的中心加工有螺母
，与螺母配合的丝杠与工作台固定在一起，由螺母推动丝杠与工作台上下移动，由此实现工作台高度方向的位置调整。由于丝杠螺母和蜗轮蜗杆传动都有自锁性，且传动比大，故工作台位置及磨削力调整可十分可靠。
3、磨削速度调整：
磨削速度是影响磨削力的另一个要素，针对不同形状、尺寸的零件磨削要求，磨削速度应在一定范围内可调。按图 1所示的设计方案，砂带线速度调节相对比较困难，故磨削速度可通过传送带线速度的调整来实现。本设备的传送带主动轮，由电动机通过一台锥形盘手动调速器驱动，故传送带的线速度可在 1,8范围内手动调整。砂带磨削与砂轮磨削相比，工作效率高，设备费用低，但由于机械振动问题和宽砂带制作自身质量问题，平面磨削质量不如砂轮平面磨床的磨削质量，故宽砂带磨削在金属表面加工的应用方面进展迟缓。但本课题实践证明，砂带磨削去毛刺工艺还是十分成功的。
七、堆垛机存取货叉行程增倍机构的设计与应用 现代纺织业生产管理中，纺织产品和原材料采用现代化立体仓库周转储运是发展方向，而且也最具备实现的客观条件。现代储运立体仓库通常可分为固定的立体货架和自动化堆垛机两部分，由堆垛机实现物料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的主要机械动作有：转运车巷道运输行走，货物周转箱自动提升下落，货叉伸缩向立体货架存物取货；
其中，货叉的自动伸缩机构设计难度最大，主要表现为：
1）为了尽可能合理的利用立体货架空间，自动伸缩货叉机构在满足刚度要求的前提下，应尽可能降低自身高度，结构也不宜复杂庞大。
2）为使货物在立体货位上摆放整齐，稳定可靠，
货叉伸出行程应大于等于物品周转货箱的长度。
3）为使堆垛机存物取货动作灵活可靠，货叉伸缩机构应尽可能减小摩擦阻力和机构运动间隙。
4）根据巷道堆垛机的工作空间限制，为使货叉结构紧凑，尽可能降低造价，伸缩货叉的原动机应尽可能重量轻，体积小，并能用最小的动作行程，满足货叉双向伸缩的工作行程要求。
针对上述要求，笔者认识到：堆垛机伸缩货叉必须采用一种能使原动机动作行程增倍的双向驱动直线运动机构，为此，笔者的货叉伸缩设计方案选择了齿轮齿条组成的直线差动机构。
1、轮齿齿条组成的直线差动机构工作原理：
图 1所示为一个双联齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，假设齿条 1为固定齿条，齿条 2为从动齿条，双联齿轮 1的分度圆直径 D1大于齿轮 2的分度圆直径 D2，当滚动的双联齿轮的齿轮 1沿固定齿条 1滚动时，由双联齿轮 2驱动的从动齿条 2将以双联齿轮中心运动相反的方向水平移动。其相对运动的距离
,L=（ D1-D2） πn,式中 n为双联齿轮转过的圈数。按此计算公式，当双联齿轮 D1=D2时，不论双联齿轮转过的圈数为多少，齿条 1与齿条 2走过的相对距离为零；
图1、齿轮齿条直线差动机构图2、直线差动行程增倍机构图 2所示为一个滚动齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，与图一相比，从动齿条 2在滚动齿轮的上方，根据相对运动原理，滚动齿轮与固定齿条的节点为二者的速度瞬心，当滚动齿轮相对于固定齿条 1滚动时，从动齿条 2将沿滚动齿轮中心运动相同的方向，以滚动齿轮中心两倍的速度平行移动。这样，就形成了从动齿条 2相对于滚动齿轮中心速度与行程的增倍机构，为满足堆垛机货叉伸缩的动作要求提供了理论依据。
2、堆垛机三层货叉直线差动行程增倍机构的组成与工作原理：
图 3所示为一般设计人员最容易想到的存取货叉机构，它以步进电机作为驱动元件，步进电机固定物料集装箱；2,上叉；3,中叉；4,上叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,步进电机；8,下 叉；9,导向滚轮。
图3,齿 轮齿条直线差动行程增倍机构示意图在中间货叉 3上，下叉 8固定在堆垛机升降平台上，
下叉齿条 5用螺栓固定在下叉上；与此对应，上叉 2
上也固定有上叉齿条； 这样，固定在中叉 3上的步进电机 7直接驱动齿轮 6，即可实现上叉 2相对中叉 3
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
三层货叉结构设计的直线差速平移运动。另外，在各层货叉间采用滚动轴承作导向滚轮，一方面减小了相对运动的摩擦阻力，减小了运动间隙，提高了直线差动行程增倍货叉机构的运动精度、灵活性与可靠性。
该设计方案结构简单，动作平稳、灵活、准确；
适用于运动精度要求较高的中小零件立体库。但依此方案为避免齿轮齿条啮合脱落，上叉 2不可能充分外伸到下叉 8以外，可能会影响到物料集装箱 1进入立体库的准确位置要求。
为使上叉充分外伸，满足物料集装箱入库的自动定位要求，可采用图 4所示的四层货叉直线差动增倍机构。该机构采用两套驱动齿轮，除步进电机直联的主动齿轮 6外，在第三层货叉上通过轴承座
12固定两个驱动齿轮 13，在第二层货叉 3与第四层物料集装箱；2,第三层货叉；3,第二层货叉；4,三层货叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,步进电机；8,下叉；9,导向滚轮；10,四 层货叉齿条；11,四 层货叉；12,四 层货叉驱动齿轮轴承座；13,四层货叉驱动齿轮；1 4,二层货叉固定齿条。
图4,四 层货叉直线差动行程增倍机构示意图货叉 11间形成又一套直线差动行程增倍机构，由此增加了上叉的外伸行程。但是，该结构的缺点也十分明显，一方面使整个存取货机构更加复杂；另一方面增加了货叉的自身高度，必将增加立体库每一层的高度，增加了立体库无效存储空间的比例。另外，上述两种设计方案均采用步进电机作驱动元件
，成本太高，使众多用户望而却步。
图 5所示为笔者设计的堆垛机三层货叉直线差动机构，图 a为三层货叉中间断面图。图 c为三层货叉伸展开的示意图；图 b为三层货叉收缩后的结构示意图。其固定货叉 1固定在巷道转运小车的自动上升降平台上；并在固定货叉 1上安装有固定齿条
5和原动机 — 双向液压油缸 3，在油缸两活塞杆端安装有两个可转动的滚动齿轮 4，滚动齿轮 4上方设置
a)
图 3 三 层直线差动货叉结构及工作原理示意图
、固定叉；2,链轮；3,双向油缸；4,滚动齿轮；5,下叉齿条；
6.上 叉齿条；7.中 间货叉；8、导 向滚轮；9、链 条；10,上叉；
11,上叉滚轮。12,链轮 支承座；
有固定在中层货叉 7上的从动齿条 6，这样，当油缸驱动齿轮 4在固定齿条上滚动时，通过从动齿条驱使中层货叉以活塞杆双倍的速度与行程沿滚轮中心运动方向平移。
根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求，采用双层货叉行程增倍机构是不够的，还必须实现第三层货叉的行程增倍直线差动。为了实现上层货叉的增倍平移，笔者在中间货叉两端设置有两个可转动的链轮，这两个链轮相当于滑轮组的两个动滑轮，
如图 3b所示，与左端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的右端；与右端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的左端。这样链轮与链条传动就相当于齿轮与两根柔性齿条的定比传动；与齿轮齿条传动时
，速度、行程增倍机构原理相同，当中间货叉 7水平移动时，通过链轮链条传动，上叉 10就以中间货叉两倍的速度与行程沿滚轮中心移动方向水平移动。这样，当双向油缸驱动活塞杆并滚动齿轮 4
水平行走 1/6固定货叉长度的行程时，中间货叉 7
相对固定货叉 1水平移动 1/3的固定货叉长度行程；
而上叉 8相对中间货叉 5水平移动了 2/3的固定货叉长度行程；相对固定货叉 1水平移动了一个固定货叉长度行程，最终满足了货叉伸缩的行程动作要求。同时，为了最大限度的缩小货叉机构的结构尺寸，双向油缸的液压泵站设置在巷道转运小车上。
三层货叉直线差动机构的结构特点如图 3b所示，
在上叉的全部行程中，中间货叉 5相对下叉 1行走
1/3行程；上叉 8相对中间货叉 5行走 2/3行程，上叉与中间货叉之间；中间货叉与下叉之间均有合适的导向接触面长度，保证了三层货叉伸出时的相对刚度要求。最重要的是，三层货叉采用了齿轮齿条组成的直线差动行程增倍机构，能使双向驱动油缸用固定货叉自身长度的 1/3动作行程，满足上层货叉双向伸缩固定货叉自身长度的工作要求，这是其他设计方案难以实现的。
笔者设计的链传动三层货叉直线差动机构，在郑州纺织机械厂冷二分厂模具立体仓库和机加工二分厂零件管理立体库中，经多年使用效果良好，而且其结构紧凑，动作灵活，造价合理，受到了现场工程技术人员的一致好评。
八、物流立体库的结构设计概述,
现代物业生产管理中，各种产品和原材料采用现代化立体仓库周转储运是发展方向，现代储运立体仓库通常可分为立体货架和自动化堆垛机两部分
，按照货物存储方式，立体仓库又可分为货叉式和辊道式两种；货叉式立体仓库的货架为固定钢架，
货架上不需要任何机械传动装置，由堆垛机实现物料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的主要机械动作有：转运车巷道运输行走，货物周转箱自动提升下落，货叉伸缩向立体货架存物取货；图一所示为 8列 13行 7层立体仓库总体结构示意图。
0 7
0 6
0 5
01、出库平板车；
02、货架；
03、堆垛机：
04、巷道地轨；
05、堆垛机底盘；
06、立柱；
07、天轨。
立体仓库示意图
04
03
02
01
01、出库平板车；
02、货架；
03、堆垛机：
04、巷道地轨；
05、堆垛机底盘；
06、立柱；
07、天轨。
立体仓库示意图
04
03
02
01
立体仓库示意图
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
货叉式立体仓库机械传动机构原理图
01、地 轨；
02、车 轮；
03、链 轮；
04、下 平板；
05、链 轮；
06、减 速电机；
07、货 架立柱；
08、货 架承重横担
09、中 间平板；
10、三 层货叉机构
11、货 盘 ；
12、配 重；
13、链 轮；
14、上 平板；
15、支 撑架；
16、天 轮；
17、天 轨固定钢架
18、天 轨；
19、货 叉提升电机
20、导 向立柱。
如图所示为单轨货叉式立体仓库一个巷道存货单元的机械传动结构图，下底盘 04采用带编码器的减速电机 06通过链传动驱动，由程序控制实现巷道车在同一排巷道内的行走，用光电开关或干簧管实现巷道内行走的认址定位；由于下底盘是双轮单轨行走，重心又高，为保证堆垛机巷内行走的安全稳定性，在货架上空固定有工字钢制成的天轨 18，由堆垛机上平板 14处设置的天轮 16导向，来保障巷道车行走的稳定性要求。上下平板间采用双立柱支撑
，同时双圆立柱 20也作为货叉升降的导柱。货叉 10
的升降与定位方案与下平板原理相同，只是程序要复杂一些，因为货叉上升的货位高度应略高于货架指定层高 10--20毫米，使货叉伸出时与货架悬空，
以避免与货架干涉并减小货叉的伸缩阻力；待货叉伸缩到位后由升降系统控制下降 20— 30毫米，将货盘（料箱） 11放置在货架的承重横担 08上，与此同时，货叉与料箱脱离接触，货叉悬空收缩回到原始位置。因此，货叉堆垛机每一次存放货物的顺序动作应该是,① 将物品货盘放置在货叉上（货叉处于原始收缩状态）； ② 由行走机构驱使堆垛机行走到指定的行位； ③ 由升降机构提升货盘到指定的层位； ④ 货叉 10伸出，将货盘 11送入指定的货位； ⑤ 升降机下降 15— 25毫米，将货盘 11放置在货架的承重横担上，使货盘与货叉脱离； ⑥ 货叉缩回到原始状态； ⑦ 货叉再次下降到堆垛机合适的原始高度； ⑧
堆垛机行走出巷，回到原始位置，准备执行下一个任务指令。
货盘的升降采用链传动方案：在上平板上设置
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
三层货叉结构设计有带编码器的减速电机 19，通过上平板处的链轮提升系统 13，实现中间平板 09两个（或四个）受力吊点的同步升降；在固定有三层货叉的中间平板 09上，设置有轴瓦式导向机构，以实现货盘升降时的平稳、顺畅。另外为减轻货盘升降阻力，
在链轮提升系统的一端，还设置有配重 12，以平衡中间平板和三层货叉的自重。
图 3所示为三层货叉结构和工作原理图，它以带编码器的减速电机 7作为驱动元件，减速电机 7
固定在中间货叉 3上，下叉 8固定在堆垛机升降平台 09上，下叉齿条 5用螺栓固定在下叉 8上；与此对应，上叉 2上也固定有上叉齿条 4； 这样，固定在中叉 3上的减速电机 7直接驱动齿轮 6，即可实现上叉 2相对中叉 3的直线差速平移运动。另外，在各层货叉间采用滚动轴承作导向滚轮，一方面减小了相对运动的摩擦阻力，减小了运动间隙，提高了直线差动行程增倍货叉机构的运动精度、灵活性与可靠性。
货叉式立体仓库的优点是：货架结构简单，总体造价相对较低，所有机械故障全部集中在堆垛机上，故障率较低；机械维护比较方便。因此一般的图3.齿 轮齿条直线差动行程增倍机构示意图货盘；2,上叉；3,中叉；4,上叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,减速电机；8,下叉；9,导向滚轮。
中小型物品存放，多采用货叉式立体仓库。
货叉式立体仓库的缺点是：当物品体积庞大，
重量超重（超过 500公斤）时，可能使货叉伸缩行程过长，刚性不足；影响货叉动作的准确性和灵活性；同时，由于货叉的存取动作需要一定的空间，
这对于每一个货位可能算不了什么，但对于整个立体仓库而言，空间浪费太大。另外，三层货叉采用的是行程增倍机构，当存物太重时，物体的惯性可能影响堆垛机动作的平稳性。因此生产实践中，对于一些超大超重的物品存放，多采用辊道式立体仓库。
辊道式立体仓库的总体布局，行走、升降机构的动作原理、定位形式与前面所述的货叉式立体仓库大致相同，只是货架结构和堆垛机货盘存取托辊驱动机构有较大的差异。
如图所示为钢板立体库的货盘，针对薄钢板存放重量、尺寸大，钢性差的特点，货盘底部用方钢管焊接形成承重框架，以满足整叠钢板储运过程中的强度刚度要求；而用薄钢板焊接形成的货盘，只起到限位导向作用。
图示钢板存放辊道式立体仓库，每一行两边分别各设置有一台减速电机 22，通过立轴 02、圆锥齿轮 03,04；可驱动该行每一层的货架上的每一个承重横托辊同步转动，在每一个货架存储单元内有一根横轴 07，横轴 07上装有一个电磁离合器 05和两个链轮 06，当该存货单元的电磁离合器 05按控制指令吸合时，可将立轴 02的转动通过横轴上的两个链轮经链传动传递给每一个承重横托辊 11，实现该存货钢板存放货盘
25 26
151413121110090807060504030201
01,天轨；
02,立轴；
03,圆锥齿轮；
04,圆锥齿轮；
05,电磁离合器；
06,链轮；
07,横轴；
08,天轮；
09,货盘存取托辊机构升降驱动电机
10,横轴；
11,货架横托辊；
12,链轮；
13,天轨固定钢架
14,丝杠驱动齿轮
15,圆锥齿轮；
16,联轴器；
17,导向立式托辊
18,导向立柱；
19,货盘存取托辊机构升降传动丝杠
20,上平板；
21,底盘；
22,货架托辊驱动减速电机；
23,货盘存取驱动托辊机构；
24,底盘驱动电机
25,货盘；
26,货架固定立撑辊道式立体仓库机械传动系统图
2423
22
21
09
200108151419181712031602
货架俯视平面和堆垛机货盘存取驱动托辊机构平面图。
251219171 8
27
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11
23
07
05
06
04
03
17
27
28
29 03、圆锥齿轮；
04、圆锥齿轮；
05、电磁离合器；
06、链轮；
07、横轴；
11、货盘驱动横托辊；
12、链轮；
17、货盘导向立托辊；
18、导向立柱;
19、货盘存取驱动托辊机构升降传动丝杠。
23,货盘存取驱动托辊 机构 ；
27、轴承座；
28、制动插销排；
29、导向轮机构；
单元内所有承重横托辊的同步转动，进而完成该单元内货盘的进库出库任务；反之，如果该存货单元的电磁离合器没有吸合，则该存货单元内装在横轴上的圆锥齿轮 04要么不转（该行货架没有接到动作指令，电机 22并立轴 02处于静止状态），要么空转
（该行某一层存货单元有存取货物的动作要求）；
此时横轴 07上的链轮 06和该存货单元内的所有承重横托辊处于静止状态。为了避免货盘进出货架时走偏，造成货盘与货架干涉，甚至货盘被卡死，在货架上还设置有多个无动力驱动的立式导向托辊 17，
十分有效的限制货盘进出方向。同时，为了防止货架上现存的货盘在机械振动条件下自动出库，造成不应有的事故，货架的后部设置有固定立撑 26，作为货盘入库的死限位；货架前部（面临堆垛机处）
设置有制动插销排，作为安全防护装置，它由弹簧顶出，可用电磁铁吸合复位。
与前述货叉式立体库不同的是，钢板立体库的堆垛机采用货盘存取辊道驱动机构，采用单独的减速电机，可驱使货盘承重辊道双向同步转动，以完成货盘在库内双向存取的动作要求。其货架和堆垛机存取货机构的平面结构如图所示，其货盘导向与安全制动防护装置，与前述货架相同。
另外，堆垛机存取货托辊驱动机构的升降，采用丝杠螺母传动来实现，在堆垛机上平板处有一台固定的减速电机，通过圆锥齿轮驱动横轴 10转动；
在横轴 10的两端固定有两个圆锥齿轮 15，可驱使与两根丝杠 19一体的圆锥齿轮 14同步转动；在存取或托辊驱动平台 23上与两丝杠配合处，固定有两个螺母，受导向轮机构 29的制约，当两丝杠 19同步转动时，存取货托辊驱动平台 23只能沿丝杠轴线方向升降平移。导向轮 29采用偏心轴调整导向间隙，提高了平台 23的导向精度与操作的方便程度。
与货叉式立体仓库相比，辊道式立体仓库的堆垛机结构简单，动作平稳、可靠，动作空间小，整体空间利用率高，在存取货物的过程中，由于导向
、防护限位机构的作用，辊道的转动限制比较灵活
，降低了对辊道驱动电机的控制要求和难度，给整体设备的自动控制创造了更大的操作发展空间；其缺点是,每一个货位都要有一套辊道驱动装置，每一行货架都设置有两台驱动电机，货架整体造价较高；同时也给后续的设备维护，故障检测排除增加了费用和难度。
正确可靠地存取货箱，准确地认址定位是关键。认址方法是：在巷道地基上相对于每列货格安装一固定的认址片 (挡板 )，在堆垛机底部安装 4个光电开关 (GDI和 GD2)与 (GD3和 GD4)随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号到 PLC，从而达到列认址目的；同样，在堆垛机立柱上相对干每一层安装一认址片，在其升降台安装光电开关 GD5和 GD6
随升降台一起上下运动，达到层认址的目的。光电开关的脉冲输入信号作为 PLC内部认址计数器的计数信号，计数器的当前值作为速度控制的据。
当堆垛机到达目的货格即计数器的计数值计到零时，发出停车信号使其停止运行。升降台上的光电开关 GD3又用 PLC内部的计数器接收光电脉冲，
堆垛机对其定位精度要求是很高的。比如列定位，要求堆垛机能停在目的列货格的中心线上，误差不超过 2mm。否则，由于误差的积累，在货叉存取货箱时易碰到货架或发生其他事故。但是发出停车信号后，堆垛机由于惯性还会滑行一点，这样，
光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们把认址结构片做成如下图 1所示的形式。用 1号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用 1号和 2号开关作精确定位。如果 1
号 2号开关同时有信号，说明已停准；如果只 2号开关有信号，说明己超过，点动堆垛机回退，再检测比较；如果只 1号开关有信号，说明还未到中心升降台每经过一层，计数器减 1计数，从而达到层方向认址的目的。
点，点动堆垛机前进，再检测比较；这样达到准确定位的目的。
GD1
GD2
九、双环转盘式轿车存放立体库的研究与分析
1、建造立体车库的意义：
随着现代汽车工业的高速发展和人民生活水平的提高，大型商场、会场门前的停车，越来越成为迫切需要解决的问题。目前许多商场、会场门前的停车场，占据了太多的空间场地，既影响了市容交通，又带来了许多安全事故隐患。因此，立体库存车方案，越来越受到社会的广泛关注；目前网上报道的立体车库，需由专用牵引车，将客户的车体牵引到车库设定的车位；工作效率低，成本高，占地面积大，自动化程度低，而且外观形象太差，并没有受到社会的青睐。为了更好的解决停车问题，笔者提出了旋转式立体车库的设计构想。
2、旋转式立体车库的设计方案：
笔者的旋转式立体车库设计方案如图一所示，
车库为双环 8层立体结构，外环大径 35米，小径 25
米；内环大径 24,9米，小径 14米；车库内外圈各有一个汽车升降机构。外圈的升降机构专用于汽车提升，内圈的升降机构专用于汽车下降。另外，在车库的四周还设置有若干专供司机出入的电梯。当一辆外来的汽车需要停车时，司机可在车库某一指定的管理位置领到一个车牌，上面写着该车应该停泊的库层车位，汽车排队由外圈提升机将该车连同司机一起提升到指定的库层，在车体上升时，车库已按车库管理中心的信号，将设定的空位 转到提升机门口。在提升机与车库一起停稳后，由司机本人将车开到车牌指定的车位，将车锁定后，通过其它外环车库；2,内环车库；3,固定环形通道；4,载车下降电梯；5,乘客电梯；6,载车主下降电梯；7,载车提升电梯。
图一、双环旋转式立体车库平面布局图。
乘人电梯下降到地下层，离开车库；取车时，也在底下层由乘人电梯上升，按车牌找到自己的车位，
上车后，用车牌发出离库信号；车库计算中心接受到信号后，按先后顺序排序操作，由计算中心控制双环车库，以最短的路径为司机准备好出库通道。
此时，内圈的升降机构也停在相应位置，开门迎候司机出库。当司机接受到计算中心发出的出库指令时，将车开进内圈的出库升降机构，下降到地下车库；由底下专用车道离开车库，由此完成旋转式立体车库的一次存取车过程。
二、旋转式立体车库的可行性分析按上述设计方案，每个车位为一扇形面。假如每个车位以小径处 3米长为界，内环可设置 14个车位，外环可设置 26个车位（按小轿车型设计，车长小于 5米）；内环预留 3个车位作机动通道，每层可存放 37辆车，全库地上八层可存放 296辆车。按每辆泊车占地 3米 × 6米 =18平方米,962平方米的圆形立体车库可代替 5328平方米的平面停车场地。而且商场、会场前，一个圆形立体车库，近 2000平方米的广告面积，带来的广告效应与经济效益，也是十分可观的。
作为存车的客户，存车、取车由车主与管理控制中心协调进行，比较符合车主的心理；车体进入车库后，就象进入了一个黑箱，除司机外，没人知道车体的准确位置，增加了存车的安全性，盗贼即使有偷车的妄想，没有车牌也无法将车开出车库。
另外，因车主参与了整个存取过程，可最大限度的简化车库的设置与机构（不再需要其他的牵引装置与机构），减少了车库的管理人员。
3、几个相关的技术问题与对策
1）车库旋转驱动功率：
由于旋转立体车库为焊接刚架结构，假设内环自重 30吨，外环自重 50吨，加上存车重量，内环
11X1.5X8=132吨；外环 26X1.5X8=312吨，要使立体车库转动，需要很大的动力。为了最大限度的减少工作负载，立体车库底盘采用 V型环滚道加钢球滚动体，组成平面推力滚动轴承结构；设滚动摩擦系数为 0.05；则形成：内圈负载力矩 T1=（ 132+30）
X10000X7X0.05=567000NM；外圈负载力矩 T2 =
（ 312+50） X10000X17.5X0.05=3167500NM，按内圈线速度 0.2M/S，外圈 0.3M/S驱动，则 T=9550P/n
n1= 60V/π D1= 60X0.2/14 π = 0.273 r/min;
n2= 60V/π D2= 60X0.3/35 π = 0.164 r/min;
P1= 567000X0.273/9550 = 16.2KW;
P2 =3167500X0.164/9550 = 54.4KW,旋转立体车库的驱动功率在常规可接受的范围以内。
2）传动方案：
按常规设计方案，要使底盘旋转，最容易想到的是减速电机加齿轮传动。因为底盘齿圈最大外径为 35米，如此大的齿圈，加工难度大，成本费用高，现场安装精度（多块对接园整精度）难以保证；为了最大限度的降低成本，笔者的设计方案如图二所示：采用链轮滚柱 传动，在上底盘 V型环轨道外侧，加工一环型槽，零件图如图三所示：在环槽上按 1″链节距（ 25,4毫米）打 4325个 Φ15.88
外环底板；2,内环底板；3,立柱；4,基础地板；5,钢球；6,上底板V 形环槽；7,下底板V形 环槽；8,油马达；9,链轮；1 0,支承架。
图二、双环旋转立体车库底盘驱动示意图图三、上底盘V形 环槽截面示意图
mm的圆孔，安装 4325个圆柱销，用圆柱销槽轮代替大齿圈；虽然 V型环轨道和大型环槽都需要数控加工，都有对接难度，但是比大齿圈加工制造成本要低许多，也降低了安装精度要求。另外，转盘式立体车库要求驱动功率太大，减速机构庞大，至少结构设计比较困难，外形也太不美观；为了简化传动机构，笔者的设计方案采用油马达驱动主动链轮，
并由此驱动环槽滚柱转动。为使结构美观，驱动可靠，底盘环槽滚柱可采用 3— 5处油马达串联驱动，
这样也有利于速度，驱动功率的调整。按前面所述传动方案，双环转盘式立体车库需要两套液压驱动系统驱动内外两环转盘；液压泵站可设置在较远处
，可增加美观，也降低了环境噪音。
3）工作效率方案按前述转盘式立体车库设计方案，客户取车时
，从地下车库内圈的专用乘人电梯上升到目标库层
，出电梯经内圈的固定环形通道，寻找自己的轿车；发现目标后，踏上慢慢转动的内外环车库平板，
接近自己的轿车（为提高工作效率，转盘大多数时间在转动，这也是本设计方案的一大缺点），坐在车上给立体车库计算机管理中心发出库信号，然后由计算中心指挥出库。按此方案，内外环车库转速太快，影响司机安全；旋转太慢，影响取车速度。
按客户心理，库外存车速度太慢，司机会考虑去别处存车；特别是取车太慢，司机在车库内心情不好
，必定会影响司机的下一次存车热情。为了加快取车速度，可在内圈均匀设置 3— 4个出库载车电梯；
汽车入库时，管理中心优先安排内圈车位，但必须预留 3--4个车位作机动车道。当轿车停在外圈车位出库时，内圈由计算机控制中心计算确定最短路径
，让内圈通道接近出库车位，内圈车库相对出库车位停稳后，由司机将车开到内圈车位，再以最短路径接近出库载车电梯，再停稳后由司机将车开进出库电梯，然后经地下层开出车库。
也可由计算中心控制内外圈，以最短路径让内外圈相对旋转；在内环车库通道接近出库车位时，让内外圈车库同步转动，此时内外环车库底板不再有相对转动，客户伺机将车开进内圈通道，
停在指定位置后，计算中心以最短路径，将车位与出库电梯对接，使出库汽车尽快出库。当然这对控制中心的计算机管理系统提出了更为复杂的控制要求，对库内光电认址机构也提出了更为严格、敏捷的精度要求。也相对提高了计算机管理系统的档次与成本。
4）、认址精度与互锁要求作为双环旋转式立体车库的控制系统，用计算机程序控制实现小轿车入库、出库的全部监测与管理，一个十分重要的前提条件就是要求内外环车位相对车体升降机构的准确认址与定位，这种认址与定位精度的准确性，直接关系双环旋转式立体车库系统控制的成败。另外，在小轿车通过升降电梯入库出库时，双环旋转式立体车库与升降电梯之间不得有相对运动，即双环旋转式立体车库与升降电梯之间的运动必须互锁。否则不仅会出现严重事故，
也影响双环旋转式立体车库与升降电梯的系统控制精度。当然，在科学技术高速发展的今天，这些不会成为双环旋转式立体车库实施的太大问题。
双环旋转式立体车库是一个多学科相关的课题
，也是目前社会急待解决的难题，其存车量、占地面积、工作效率、制造成本等要素的最佳组合方案，值得各学科相关人士仔细商榷。笔者深切希望双环旋转式立体车库的设计方案，能得到社会各方人士的关注，并不断加以完善。希望双环旋转式立体车库能尽快实施，解决问题，造福人类。
拾、包装机械：
包装行业是一个新兴的行业，随着市场竞争的日益激烈白热化，产品形象广告效应对包装行业提出了越来越高的要求和越来越多的需求．
1 小型包装机的现状纵观国内现有的包装机械，除大型生产包装线外 (许多是从国外引进，产品生产后随即包装，如奶粉、洗衣粉之类，耗资大，占地面积大，物料多品种适应性差 )大都处于一种落后的局面，如一些家庭个人小作坊，买一些现成的包装袋 (包装袋有人专业生产，也十分精致、漂亮 )将需要包装的粉状、颗粒状食品或其它商品用量杯类器具灌装在袋中，用热膜封口机封口后流通于市场．这种包装作业方式不仅不符合卫生条例，产品计量无法保障，也为产品掺假、制假大开了方便之门，是目前产品升级、上档次必须严格杜绝的包装作业方式．
80年代末，国内陆续引进并迅速发展生产了一系列机械传动的小型全自动包 (灌 )装机，因能基本上满足小袋物品包装从有计量的落料到制袋、灌装、分割等动作的自动化作业．生产效率和包装质量得到了很大程度的提高，克服了众多作业环节中人为因素的影响．加上投资少 (每台售价 3— 5万元 )，占地面积小，适应于个体小作坊的作业生产，因而深受用户的欢迎，也使包装机械的成长有了新的发展目标和前景，小袋物品的包装质量也有了质的飞跃．
2 小型包装机存在的问题尽管小型全自动包装机的出现，给日益繁荣的市场经济带来了新的气象与生机，但人们很快发现目前市场上现有的包装机传动链长，传动机构复杂，
一台驱动电机通过多级传动齿轮、离合器的组合．将主运动分解，进而实现包装的各种动作要求，
当所包装物品发生变化，制袋材料及尺寸发生变化或机械传动链本身的动态误差发生变化时，各部分动作的协调调整十分困难．为说明问题，我们以 100 g小包装广告宣传用奥妙赠品洗衣粉的自动化包装为例加以说明：散装的洗衣粉经过包装机分装成 100 的小袋，需要经过以下三步动作：
自动落料 —— 制袋 —— 分割切断现有包装机通常采用一台电机为驱动元件，经过许多齿轮、凸轮机构、离合器的组合，将主运动分解为三个执行机构的单独动作，然后按一定的协调动作要求同步完成．
如果包装机的生产效率是 60袋 /分，那么自动落料时间应该尽可能小于 0,6 s，否则可能会出现计量不准 (顶封切断时，落料仍在延续 )或落料粉尘造成封口不严。制袋可以连续匀速进行，如果每个包装袋的长度为 150 mm，那么制袋两侧的牵伸、热封轮就应以 150mm/s的线速度匀速转动，把一卷
(也可以是两卷 )包装膜滚压成规定的筒状，以便于物料的灌装．包装袋的底封可以与分割切断同步进行，也可以分开进行．如果是同步进行，则要求底封切断机构，在两侧牵伸热封轮每转过 150 mm时，
迅速准确地实现底封与切断动作。
假设底封宽度为 10 mm，切刀位置在底封中间，则切断后的底封宽度，一半为已包装袋的顶封，另一半为未包装袋的底封．采用现有纯机械传动方案的包装机，要实现上述动作的理想状态，存在以下问题：
2,1 包装袋长的误差无法随机补偿调整、在机械传动的制袋过程中，袋长动态误差产生的原因是多方面的，如包装袋材料的均匀性，牵伸力变化引起牵伸量的变化．机械磨损机械振动产生的误差等等，
假设包装袋的印刷尺寸与机械传动产生的实际误差为 0.1 mm．按包装袋光电检测标识允许的误差为 10mm，那么现有的包装机每包装 100袋就必须停机调整一次．这就大大影响了生产效率．
2,2 包装橱料的计量误差调整困难，现有包装机所包装物料计量检测后的调整，以目前的传动方式必须在停机条件下进行．不论采用容积量杯式落料方案．还是螺旋推进式落料方案，都无法实现动态检测、随机调整．这样，调整非常麻烦，调整时间长 (很难在短时间内实现理想的计量误差 )，调整期间废品量大．计量精度难以提高．
2,3 袋长变化十分困难；当所包装物料品种、比重、计量要求发生变化时．目前传动方案要实现袋长变化，必须按传动协调性要求．更换大量的中间传动零件 (齿轮、凸轮等 )，这样就限制了现有包装机针对包装物料的通用性。
3、新型包装机的传动方案设计构想：
针对目前小型包装机存在的上述缺陷，笔者提出了用三台步进电机分别实现落料、制袋、切断独立动作的设计方案,用一台步进电机驱动螺旋推进器自动落料．假设一袋物料需用 1500个脉冲信号完成，按 60袋／ min的生产效率．可在 0,4 s内完成
1400个脉冲的快速落料，再用 0,2 s实现 100个脉冲的慢速落料，通过电子秤的动态计量，将计量误差信号反馈到计算机系统，随机调整落料步进电机的驱动脉冲数，即可实现十分准确的包装计量要求；另外，在所包装物料品种、比重、计量发生变化时，相应的随机调整通过加减脉冲数实现．也十分快捷方便。这是原有传统机械方案无法实现的。
制袋与分割也用两台步进电机分别驱动，制袋电机以每分钟 60个袋长的线速度匀速转动 (按步距角确定每个袋长对应的脉冲当量数，由驱动电源均匀提供驱动脉冲电流 )或循环间歇式转动．底封分割的驱动步进电机，按对应袋长的转角要求间歇转动，实现底封切断的同步动作要求．当袋长出现动态误差，井超出光电检测标记允许的误差范围时，
检测信号反馈到计算机系统．并随机调整切断步进电机的延时间隔 (包装袋的切断分割是在瞬间完成的．每次切断动作转角对应的电机驱动脉冲数也是固定不变的。切断后的实际袋长取决于两次切割动作的时间问隔，也就是延时间隔 )，就可以十分方便地克服袋长的动态误差影响，使包装机一直连续地工作．保持稳定的生产效率．当包装物料的品种变化．要求包装袋尺寸相应改变时，通过延时间隔的调整，即可十分方便快捷地满足要求．
φ
φ
φ
25
φ
60H7
φ
φ
25K6
φ
60H7φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ
4、物料包装的计量方案研究：
商品包装是一个新兴的行业，是在商品经济日盏繁荣，市场竞争日趋激烈的新形势下，逐步成长起来的。在商品流通中，人们对粉状颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面．一是要求包装美观，以便吸引顾客，并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。其二是要求包装袋内的商品计量准确，误差小 (包装行业标准要求计量误差小于 5‰ ),以维护商品生产厂商的信誉,形象。因此商品包装的精确计量．是包装行业时刻关注的一项重要课题。
4--1 定容积式计量装置在现有小型全自动包装机中，定容积式自动计量的方案有以下几种：图 1为定容积量杯式计量方案．如方案 a所示：转盘 2随轴 1在原动机的驱动下转动。转盘 2上固定有定容积式量杯 6。料斗 4、
刮板 3、透明罩 5随机架固定不动，且刮板 3、透明罩 5与活动转盘 2上平面形成一定容积的料仓 (为 l
／ 2转盘面积。由料斗 4朴充上料 )。当转盘 2上的定容积量杯 6转人由刮板 3隔断的料仓时，量杯内充填粉状颗粒状物料；转过 180度，量杯上口被刮板刮平：再转一定角度到卸料口时，由机构顶开量杯的下底盖 7，将定容积的物料饲入落料口，以完成定计量自动落料的动作要求。
图 1(b)为移动式定容积量杯自动计量的方案。科斗 11固定在机架上．由匀速转动的搅拌器 10阻止物料结块．保证落人量杯的物科比重均匀。安装在滑板上的定容积式量杯，在滑板等幅往复滑移时，
将物料填入量杯刮平，再落入出料口。
图 1（ C）为转鼓定容积式计量方式，料斗 1随机架固定．转鼓 3由原动机驱动作匀速转动，每转动
90度即从料斗中分离出一定容积的物料，再转 90
度把定容积的物科送入包装漏斗 7，经制袋切断机构的协调动作，将散装的粉粒颗粒状商品分装成小袋商品。
上述三种方案都是间歇式落科方案，也就是两次落料过程之间有一定的时间间隔．这样有利于包装制袋的横封．并保证转鼓、量杯计量的物品与落人包装袋中的物料容积保持一致．以确保计量的相对准确性。
图 1（ D)为螺旋输送式定容积计量方案，螺旋推进器 8通过皮带传动,由主电机 1驱使转动，落料量的多少可由电磁闸门 7的动作控制，也可由电磁离合器 l0控制。
上述几种落料计量方案，结构简单，动作灵活，传动效率高。但定容积量杯和转鼓容积不可调整。只能适用于某单一品种的某一限定计量的包装。且由于量杯、转鼓的制造误差，加上物料的密度变化，计量误差无法调整 ;螺旋输送式计量虽可调整，但调整误差，动作不够敏捷，面对品种繁多的商品自动化包装要求，上述计量方案实用意义不大，都需要改进。
4--2 容积可调式量杯计量装置如图所示为容积可调式量杯计量的食盐全自动包装机，计量 为 5oog／袋，生产效率 60袋／ min，
因湿度影响盐的比重，故要求计量误差可调，其自动计量方案如图所示。料斗 1、罩壳 4、刮板 3固定联接在可调心轴 2上，可调心轴 2与固定心轴 6采用螺纹联接，由锁紧螺母 9并紧后固定在机架平板 17
上，使上述各部件工作时保持静止不动。其中罩壳
4、刮板 3与转盘 5的上平面组成一个 1／ 4圆的密封料仓，由料斗 1补充盐粉。转盘 5由减速电机 20通过链轮 11、滚子链齿圈 1O驱使转动；转盘 5与滚子链齿圈 10采用六条滑键配合连接。 (六条滑键用螺钉固定在滚子链齿圈 1O上，在转盘 5圆周面上均匀开设六条长圆孔，六条滑键插在长圆孔内，与长圆孔侧面保持线接触，以减小接触应力，并使转盘 5相对机架平板 17作升降调整时，（滚子链齿圈 10相对于链轮 11的水平位置不变）滚子链齿圈 l0沿滚拄分布圆等距均布有 204个 7,95mm的圆柱销通孔，并等距安装有 204个西 7,95mm的 B型 (GB882— 86)圆柱销，
各圆柱销同中心距为 12.7mm，从而形成滚子链内齿圈 l0与链轮 ll(齿距 12.7mm,17齿 )按 l,l2的减速比传动；当减速电机 20以 36Or／ min的转速驱使链轮 ll转动时，转盘 5将以 30r／ min的转速与滚子链齿圈 l0同步转动。在转盘 5上焊接固定有两个大量杯 7，另有两个小量杯 8活套在大量杯 7内。两个量杯的容积组台可实现盐粉从 300g至 80g的计量调整要求。 也可满足多种商品如白糖、碱面、淀粉、
味精等的自动包装计量要求。
计量调整时，松开锁紧螺母 9，转动可调心轴 2，
可实现转盘 5相对机架平板 17的上下 (高低 )位置调整，从而实现大小量杯 7,8组合的容积变化。当然这种调整必须在停机条件下进行，调整过程也比较麻烦，调整后须及时并紧锁紧螺母 9。考虑两组量杯的制造会有尺寸误差，在小量杯下端装有活套圈 21，当两组量杯组合后容积不一致时，可微调其中一个小量杯的相对高度，再用紧定螺钉固定小量杯 8与活套圈 21的相对位置，使两组量杯的组合容积趋于一致，活套圈的另一个作用是增加与机架平板 17的接触面积，减少磨损和摩擦阻力，并减少量杯底部在平板 17上滑移时的盐粉泄漏。在小量杯底部装一圆形橡皮舌 头,当量杯在平板 17上滑移时，
橡皮舌头作底与平板接触，以减少盐粉泄漏；当量量杯落料时，橡皮舌头被盐粉压人长圆孔，随后又自动翻起，形成小量杯底。 当组合量杯随转盘 5转人料仓位置时，盐粉自动填充量杯，并在刮板 3处刮平，再转至平板 l7的长圆孔处卸料，把量杯计量的盐粉，通过漏斗 19倒人盐袋之中。当转盘以 30r
／ min的转速均速转动时，通过转盘上的两组量杯即可实现 60袋／ min的小袋盐粉包装自动计量要求,
容积可调式量杯计量方案在一定范围内满足了多品种物料包装的计量要求。经过细致的调整，可满足较高的计量精度要求，而且调整后，可保持相对稳定的工作状态，生产效率较高。缺点是调整十分麻烦，必须停机调整，而且结构比较复杂。
3 容积可调式动态计量装置为了实现更高的计量精度要求，笔者又设计制作了适合于动态计量误差检测和调整的新式计量装置如图所示。这套计量装置采用步进电机为驱动元件．直接驱动螺旋推进器计量所包装的物料。我们仍以盐粉作为包装物品，按理论计算，采用内径
Φ 2Omm，外径 Ф5Omm，螺距 40mm的推进螺旋，选用 130BC3100A型步进电机 (步距角 1.2° )，
需用 1770个脉冲当量即可实现 5O0g食盐的计量，
每次计量运行时间为 0,5秒。假设包装机的生产效率仍为 60袋／ min，我们可用 0.5秒钟完成 1720
个工作脉冲的快速落料，用 0.1— 0.2秒实现 50个脉冲的慢速调整计量，再把整个落料过程电子秤动态检测得的计量误差反馈到计算机系统，相应作出反应，随机调整落料计量步进电机的驱动脉冲电流数，这样就实现了商品包装中自动计量误差的动态调整，进而实现更高的计量精度要求。
容积可调式动态计量装置，不仅操作方便，计量准确，适应性广泛，结构也十分简单，是值得推广的计量方式。尽管在调试中也发现了一些不尽人意的问题：如用步进电机作驱动元件，成本较高；
步进电机矩颧特性与样本显示的数据总有一定差距，
影响了计量装置的工作性能与可靠性；从检测手段上动态计量误差调整的理想化还有待于进一步的解决。但笔者深信．随着科技进步的发展，步进电机应用的日益广泛，其成本会逐步降低，步进电机的性能也会不断提高，小袋物品包装的动态计量调整，作为包装行业的发展方向，一定会很快得以发展、进步、完善、提高。
目前我国纺织行业浆纱、印染设备中，多种规格的烘筒零件为薄壁辊筒，直径规格为 Φ570，
Φ800,Φ1200毫米；多采用壁厚 ≤3毫米的
0Cr19Ni19冷轧不锈钢板卷制焊接而成。因其工作转速高，随着纺织产品档次及生产效率的提高，
对辊筒径向跳动，直线度，动平衡等方面的误差限制也越来越严格，为此，需要设计专用设备来满足薄壁圆筒生产加工中的特殊要求。
以 Φ800，筒体长 2000毫米的辊筒为例，其加工工艺流程为：下料 → 卷圆 → 焊接 → 修磨焊道（
初圆整） → 酸洗钝化 → 二次圆整检修 → 精圆整 → 焊接两端堵头，心轴 → 机加工实现心轴与筒体的同轴抛光图1
度要求。
传统的二次圆整检修，是采用手工操作的方式，象敲制铁皮烟筒一样，凭肉眼感觉检查，不合格再返回来修整，其缺点是生产效率低，占地面积大，工人劳动强度高，一件产品需要几次反复修整操作，检修精度也相对较低。为此，我们设计了专用薄壁筒体圆整检验修整平台。
薄壁筒体圆整检验修整专用平台由两组滚轮组成，其中 4个钢制滚轮为检验轮；另外 4个包胶轮为修整轮。 4个钢轮及图上方的两个包胶轮为固定支承（轴承座位置无法调整），图下方的两个包胶轮轴承座安在一个活动滑台上，由减速电机及丝杠螺母驱动；当丝杠驱使平台及从动胶轮上行时，主动胶轮与从动胶轮中心距减小，放置在检修平台上的
1、底座； 2、主动钢轮； 3、钢轮通轴； 4,7,10,13链轮； 5、
12、链条； 6、摆线针轮减速机； 9、胶轮通轴； 11,18、联轴器；
14,19,22,26、轴承座； 15、主动胶轮； 16、多盘无极调速器；
17、电动机； 20、驱动螺母； 21、丝杠； 23、活动滑台； 24、滑座及轨道； 25从动胶轮； 27、从动钢轮； 28、检验平尺。
薄壁筒体会被 4个胶轮托起，此时可将检验时发现的不圆度超差处用木榔头手工修整；修整结束后，
用驱动滑台的减速电机驱使滑台下行，使从动胶轮与主动胶轮的中心距加大，逐步使平台上的薄壁筒体脱离胶轮，并支撑在 4个检验用的钢轮上。
图上方的两个固定主动钢轮和两个固定主动包胶轮，都采用通轴连接；在两根通轴上设计安装有三个链轮，其中两个主动钢轮通轴间的链轮与两个主动胶轮通轴间的链轮用一链条连接，当两链轮齿数比为 1时，两主动钢轮与主动胶轮之间可实现同步转动。
两主动胶轮间的另一个链轮，通过链条与摆线针轮减速机上的链轮连接，由电动机，多盘无极调速器、联轴器、摆线针轮减速机组成的原动机系统驱动，即实现两个主动胶轮与两个主动钢轮的同步转动；当平台上的薄壁筒体由 4个胶轮托起时，由主动胶轮通过与筒体接触处的摩擦力，
驱动薄壁筒体转动；当薄壁筒体由 4个钢轮支承时，也由主动钢轮借助接触处的摩擦力，驱使筒体转动，转速可由多盘无极调速器在 1,10范围内调整。
在平台的最外边（下方）自由放置一根检验平尺，其支承高度与筒体在检验钢轮上支撑时轴心线水平。当筒体由主动钢论驱使转动时，碰动（平移
）检验平尺，并直观的通过筒壁与平尺的间隙，
显示筒体圆周不同位置的不圆度误差，工人可随机做出记号，以备修整。
二、精圆整设备：
由于辊筒工作转速较高，设备的转动精度和运行平衡性精度也有较高要求，因此对筒体零件的径向跳动、直线度等方面都有严格的公差要求，
在薄壁筒体零件的成形加工工艺中，精圆整工艺成为影响产品质量的关键，需要专用设备来解决精圆整工艺的难题。 为解决薄壁筒体精圆整加工的工艺难题，笔者设计了精圆整专用设备。薄壁筒体精圆整专用设备的具体结构如图所示：主要由原动力机构、壳体机架、行星走刀机构、滚压头、活动尾座等部分组成。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉图中 1、底座； 2、减速机； 3、联轴节； 4、行星走刀机构； 5、丝杆； 6、上壳体,7、下壳体； 8、滚压头； 9、主轴； 10、支承坐； 11、活动尾架。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉在精圆整加工前，先将活动尾座转动 90°,把初圆整后的薄壁筒体，套在主轴和滚压头上，由专用铸铁壳体固定，再回转活动尾座，用滑动轴承支承固定主轴。精圆整时，原动力机构 2通过电机、
皮带轮、蜗杆减速机构，为主轴提供一均匀的输出转动，转速为 100r/min。行星轮走刀机构在支承主轴转动的同时，通过五个齿轮组成的行星轮系及两种位置组合变换，驱使固定支承在转动主轴上的丝杠 5以 67.33r/min和 333.33r/min两种转速转动，其中低速 67.33r/min为工作进给速度。高速 333.33
r/min为滚压头快退速度。在转动主轴上设计有长度大于 2000mm的长键槽，其作用是驱使滚压头 8在与主轴同步转动的同时，又用转动丝杠驱使滚压头沿主轴轴线方向水平匀速移动。 这样，工作进给时，
滚压头以 100 r/min的转速和 404 mm/min的水平移动速度，由走刀机座 4向尾座 11方向复合运动，
最终实现滚压头相对于固定在机架壳体内薄壁筒体内壁的螺线复合走刀进给运动。滚压头滚轮作用在筒体内壁上的滚压力由压缩弹簧产生。薄壁筒体通过滚压头多点滚压力作用，紧贴在专用壳体内壁，随着滚压头匀速螺旋复合进给运动，产生相应的弹性、塑性变形，整遍滚压后使刚性壳体的尺寸形状精度，满足薄壁筒体的各项尺寸公差要求。
工作进给完成后，滚压头以 2000 mm/min的快退速度返回到走刀机架 4的一端，然后松开壳体紧固螺栓，用顶丝顶起上壳体 6，再松轴承 10及尾座
11的紧固螺栓，转动尾座 90°,即可取出滚压精圆整后的薄壁筒体零件。
从上述结构动作可见，薄壁筒体的精圆整是通过无屑滚压工艺来实现的，根据金属变形理论，
工件表面在挤压力作用时，被挤压金属的原子间会产生相对滑移，由弹性塑性变形造成被滚压表面的形状改变，并使其内部组织结构和物理性能也发生变化，使金属被挤压层组织紧密，晶粒细化，晶格形状也沿着变形方向扭曲延伸。由于薄壁筒体被固定在一个理想的刚性壳体内，在滚压力作用时，薄壁筒体不仅会产生不大的径向变形
（因壳体限制），还会轴向产生挤压延伸。一般情况下，薄壁筒体受挤压力越大，其塑性变形越充分，滚压所达到的圆整效果越佳。同时，在被挤压金属表层还会产生极大的压缩应力，使金属表层冷作硬化，提高薄壁筒体的表层硬度，强度极限、屈服极限和疲劳极限等，改善筒体表面粗糙度，并使零件表面抗腐蚀性能也有所提高。这一切对薄壁筒体的使用性能提高都是十分有利的。
薄壁筒体精圆整专用设备的主要结构介绍,
1、壳体机架,壳体机架为铸钢件，壳体分为上下两半，如图 2,1,4 所示，安装筒体零件时，
可将上壳体用顶丝顶起。待筒体零件安装就位后
，再用螺栓将上下壳体联接固定。壳体内孔壁尺寸公差及表面粗糙度对薄壁筒体的最后定形精度有致关重要的直接影响，因此需要专用设备工艺进行壳体内壁镗孔加工。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉
2、行星轮走刀机构；
走刀机构的具体结构如图 3所示。齿轮 14用键与主轴固定联接，齿轮 8与套 20紧配后空套在主轴 10上，齿轮 15与丝杠 17固定，丝杠 17由两个托脚 11及 9固定在主轴 10上，由齿轮 15并通过齿轮 8驱使转动。双联齿轮 5,6与套紧配后，活套在销轴 7上，并沿齿轮支架 4作上下、啮合和脱离的调整移动。
当滚压头按要求工作进给时，通过螺旋操作手轮使齿轮支架 4下移，使双联齿轮 5,6与齿轮 8
,14处于啮合状态。当齿轮 14随主轴同步转动时
，齿轮 14,5,6,8,15及丝杠托脚 9组成差动混合轮系，驱动齿轮 15并丝杠 17转动，再通过滚压头圆盘上的导程支撑架 托架 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架主轴 托脚 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面轴承 套 套 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮图3
螺母传动，使滚压头沿主轴作轴向进给运动。按图 3所示各齿轮齿数，滚压头工作进给时，按主轴转速 n1=100r/min滚压头工作进给时的移动速为：
m i n/33.6714
3
7
1 0 0)(
3
7
)(
63
27
m i n/1 1 4
6319
2165
1 0 0
.
1145
1
4
5
15
14
5
4
45
4
42
31
1
14
1
4
31
42
4
1
14
rnnnn
nn
z
z
nn
nn
nn
nn
i
rn
zz
zz
n
i
n
n
zz
zz
n
n
i
H
H
HH
V1=S× n5=6x67.33=404mm/min，（ S为丝杠导程）
图4
齿轮支架 轴套架 托架 连杆 卡爪主轴 齿轮导程支撑架 托架 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架主轴 托脚 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面轴承 套 套 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮图3
当滚压头滚压结束，按要求快速返回时，可转动手轮使齿轮支架 4上移，使双联齿轮 5,6与齿轮
8和 14脱离啮合位置，同时齿轮 8被齿轮支架 4上的联动夹紧机构锁紧，如图 4所示，变为固定齿轮，
n4=0，这时齿轮 14,8,15及丝杠托脚 9组成行星轮系,此时：
m i n/33.3 3 31 0 0)1 0 0(
3
7
63
270
'
5
4
5
1
'
5
1
'
5
4
45
rn
z
z
nn
n
nn
nn
i
H
HH
滚压头快退速度为：
V2=S× n’5 = 6× 333.33 = 2000 mm/min3、滚压头部分：
滚压头是薄壁筒体精圆整专用设备的关键部件，其结构如图 5所示。滚压圆盘通过滑键 12与主轴 11联接。主轴 11的外圆上加工有与滑键 12动配合，且满足工作进给行程需要的长键。在滚压头与主轴同步转动时，通过丝杠螺母传动，使滚压头沿主轴轴向移动，实现滚压头相对于筒体内壁的螺旋线复合进给运动。滚压盘 7上装有多个等分布置的弹性滚压轮（图中为 3个，也可以设计成 4个,6
个）。滚压轮的径向压力是靠压缩 弹簧 2产生的。
在滚轮架 5的一面上加工有相当于直齿条的齿形，
转动齿轮轴 1，通过齿轮齿条啮合传动，
图5
1.齿轮轴 2.弹簧 3.滚轮 4.销轴 5.滚轮架
6.压板 7.滚压圆盘 8.螺母 9.撑牙 10.棘轮
11.主轴 12.导向键 13.盖板 14.工件可调整滚压轮的预加滚压力。撑牙 9和棘轮 10用于锁紧齿轮轴 1，使其调整后的预加滚压力得以保持，避免齿轮轴承受冲击载荷时出现反向转动。
4、活动尾座支撑部分：
活动尾座支撑部分如图 2所示。滑动轴承 10安装在尾座 11上，用矩形导轨联接，使滑动轴承 10可相对尾座沿主轴轴线前后移动，用于支承主轴转动。
当筒体完成滚压的工作进给后，通过快退运动使滚压头退回至靠近走刀机架 4处，然后松开上下壳体 6
,7中缝联接处的紧螺栓，通过顶丝使上壳体 6抬起
。这时可旋转尾座 11上的操作手轮，使轴承座 10在丝杠螺母机构的相对转动中，沿矩形导轨即主轴轴心线方向向外退出，使轴承座与主轴脱离，（借助其它辅助机构临时托起主轴），然后松开尾座 11上的压紧螺栓，推动尾座沿设备底座 1上的圆弧轨道转动 90° -180°,工件即可沿主轴方向装入或退出。
图2
.上 壳体 2,滚 压头 3,主 轴 4,下壳体 5,调 节螺钉 6,底座 7,丝杠
1,1 7,底座 2,减 速机 3,联 轴节 4,行 星走刀机构 5,1 8,丝 杠 6,12,上壳体 7,15,下壳体 8,13,滚压头 9,14,主轴 10,支撑座 1 1,活动尾座 1 6,调节螺钉薄壁筒体精圆整专用设备（号称擂圆机）在郑州纺织机械厂冷二分厂制作并投入使用后，圆满解决了薄壁筒体精圆整的工艺难题，确保了产品质量
。按前述走刀运动速度分析计算，每个薄壁圆筒精整加工中，工作进给五分钟，快退一分钟，加上装卸工件的辅助时间约九分钟，十五分钟可完成一个
800mm薄壁圆筒的精圆整加工，生产效率相对较高，满足了郑州纺织机械厂生产计划的基本要求。
实践证明，对于薄壁深孔筒体实施滚压加工工艺，是一种十分行之有效的方法，除获得较高精度
，改善工作表面粗糙度外，还可以提高筒体零件的表面硬度，使用性能和抗腐蚀性能。当然，此工艺方案，工人操作相对比较繁索，为此我们也在实践中不断探索更为先进、有效的工艺方法。
三、薄壁圆筒切割专用设备：
薄壁筒体零件图如图一所示,在精圆整后,两端焊接端面堵板,心轴之前,薄壁筒体两端面须精切割加工,以保正筒体 2000± 0.5的长度尺寸精度,和两端面基本平行的形状误差要求,由于板料的形状尺寸有误差,卷圆焊接后筒体两端面难于平行,加上精圆整采用冷滚压工艺后,筒体延长度方向有一定量的延伸,故薄壁筒体的两端面精割,需安排在精圆整工序之后,此类不锈钢薄壁筒体直径大,壁薄,刚性差
,无法采用通用机床进行两端面精切割,采用其它简单工艺如砂轮片切割,割管器切割效果极差,很难满足加工要求,为此,需设计制造专用的薄壁筒体端面切割设备,
图1 薄壁筒体零件图
1、薄壁筒体两端面切割专用设备的结构及工作原理,
根据郑纺机厂的产品特点及薄壁筒体的加工精度要求,笔者设计的两端面专用切割设备如图 2所示
:设备可分为薄壁筒体固定夹壳与刀架旋转机构两部分组成,
图 薄壁筒体端面切割专用设备外形图驱动电机 传动皮带 圆柱齿轮减速机 4,固定中心齿轮
5.行星齿轮 6.旋转刀架 7.上半壳体 8.下半壳体薄壁筒体固定夹壳分为上下两半,下半壳体 8较长,
后部设置有两组定位桩,以解决薄壁筒体两个端面加工的长度定位要求 ;上半壳体 7很短,也较为轻便,
采用专用螺栓与下半壳体固定连接,安装筒体零件时,需松开螺栓,拿掉上半壳体,待筒体零件就位后,
再装上半壳体,并用螺栓固定,使被加工壳体紧固定在夹壳内,上下壳体内圆孔的圆整度由机械加工来保证,不圆度误差小于 0.2毫米。
刀架旋转机构由驱动电机 1,皮带轮 2,两极圆柱齿轮减速机 3及旋转刀架 6等部分组成,其中,旋转刀架 6
固定安装在圆柱齿轮减速机 3的低速输出轴上,通过皮带 2,齿轮传动减速 3,实现刀架低速转动,旋转刀架
6的内部结构如图 3所示,由刀头 1,导向套 2,活动刀杆
3,导向键 4,驱动螺杆 5,蜗轮 6,蜗杆轴 8,行星齿轮 7
1
图 旋转刀架内部结构刀头 导向套 活动刀杆 导向键 驱动螺杆 蜗轮行星齿轮 蜗杆轴 旋转刀架 中心轮 固定法兰减速机输出轴 圆柱齿轮减速机图 旋转刀架内部结构刀头 导向套 活动刀杆 导向键 驱动螺杆 蜗轮行星齿轮 蜗杆轴 旋转刀架 中心轮 固定法兰减速机输出轴 圆柱齿轮减速机及旋转刀架 9 等部分组成,我们在圆柱齿轮减速机输出轴 12的外壳上固定安装一个中心齿轮 10,当旋转刀架 9 低 速转动时,与蜗杆轴固联的行星齿轮
7,在围绕中心齿轮 10公转的同时,自转驱使蜗杆轴 8
转动,蜗杆 8又驱使蜗轮 6低速转动 ;蜗轮 6与驱动螺杆 5由键联结同步转动,与驱动螺杆 5螺纹配合的活动刀杆 3,受导向套 2和导向键 4约束无法转动,当驱动螺杆 5转动时,活动刀杆 3只能沿轴线方向伸出或缩回,这样,当旋转刀架匀速转动时,活动刀杆 3及刀头 1缓慢伸出,实现薄壁筒体由内向外的端面切割 ;
电机反转时,活动刀杆 3及刀头 1又缓慢缩回。
2.系统传动比计算说明,
刀架旋转机构的运动简图如图 4所示,其中带传动比
i1=3,圆柱齿轮减速机传动比 i2=40,中心齿轮齿数
Z5=60,行星齿轮齿数
Z6=30,蜗杆头数 Z7=1
,蜗轮齿数 Z8=40,电机转速为
n4=1440r/min.
带传动比1:3
减速机传动比图 刀架旋转机构运动简图可算得刀架转速,
n4=n1/i1*i2
=1440/3*40
=12r/min;
蜗杆转速,
iH65=(n6-n4)/(n5-n4)
=-Z5/Z6=-60/30=-2;
(n6-n4)/(0-n4)=-2;
n6=3n4=3*12 =36r/min;
蜗轮及螺杆转速,
n8=n6/i78=n6× Z7/Z8= 36× 1/40 =0.9 r/min;
驱动螺杆螺纹为单头普通螺纹,故刀头每分钟切削进给深度为 1.8毫米,加上辅助工作时间,每小时能完成
5— 10件薄壁筒体的两端面加工,加工精度满足了图纸的要求,该项专用设备投入使用后,圆满解决了薄壁筒体两端面的切削加工难题,满足了郑纺机厂流水作业生产线的加工效率要求,为提高产品质量发挥了积极作用,受到了现场工人的好评,
四、钢制圆筒过盈热装配工艺与技术装备
1、原有钢制圆筒过盈热装配工艺存在的问题：
工业设备中有许多重要零部件是用厚壁圆筒过盈热装配后加工而成的，如纺织印染机械中的烘筒，导布辊筒；皮带输送机上的托辊等等，有些还是压力容器，如图一所示，一般都由心轴,闷头、厚壁圆筒体采用高温过盈热装配工艺，将圆筒两头加热到 500--600℃,把闷头热装配在滚筒内，按照热涨冷缩原理，待滚筒自然冷却后将闷头抱合成一体；机械加工时，为了尽可能减小动平衡误差，以圆筒外径为定心基准加工两头心轴外圆。这样，一方面降低了滚筒零件的加工成本，
减小了心轴与圆筒的不同轴度误差，还减轻了零烘筒类零件,1、心轴,2、闷头； 3、厚壁筒体图一、过盈热装配工艺加热的典型零件件自重，另一方面也节省了材料；因此是机械加工行业最常采用的制造工艺。
在上述制造工艺中，厚壁圆筒两端加热是实现热装配工艺的关键，许多工厂采用烧焦碳地炉的落后工艺，浪费了能源，影响了环保，工人劳动强度大，生产效率低，安全条件差，特别是一些直径较大的圆筒，因焦碳深埋不住筒体，造成加热不均匀、过烧等问题，常须多次返工才能勉强装配，严重影响了产品质量，是急待解决的工艺难题。为此，笔者在郑州纺织机械厂参与了厚壁圆筒过盈热装配炉的工艺方案研讨与设备设计。2．相对落后的热装配加热工艺在调研中，笔者看到有些厂家采用开放式煤气
（或天然气）地炉的加热方案，如图二所示，在一条地沟中设置一个长长的大气式烧咀，烧煤气或天然气，被加热圆筒按流水线装配工艺沿地沟滚动加热，为提高加热效果，被加热圆筒上遮盖一些保温耐火材料。经实地考察，虽然此方案满足了流水线作业的要求，但大气式烧咀发热量低，多用于铸工造型烘干，用在地炉上效果极差，经常是贴近火焰的零件表面温度高，一旦转到上面，温度严重下降，加热极不均匀；加上保温措施不利，只能勉强用于小直径的圆筒加热，且零件表面氧化严重，
加热温度不够高，现场工人反映不如原有的焦碳地炉好用。
另外，笔者也看到一些厂家采用的专用台车式炉加热方案，如图三所示。炉型象简单的铸工定性炉或锻工炉，需加热圆筒被放置在台车上，将加热端推入炉膛加热，待加热后出炉热装配，此方案加热温度比较均匀、到位，但不符和流水线作业要求，台车一次加热辊筒太少，工作效率太低；加热辊筒多了，装到最后温度下降太多，影响装配效果；而且工人高温操作环境恶劣，劳动强度大，卸车工作条件危险；再加上装料较多或加热大直径辊筒时，炉膛透热面积较大，热损失较多，加热效率上不去。此方案因工作效率低，
工人劳动强度大，尽管在许多工厂使用，也不受现场工人欢迎。
1、煤气烧咀； 2、被加热辊筒； 3、台车； 4、台车式炉窑； 5、吊挂式炉门。
图三、台车式加热炉
3．热装配专用设备的工艺方案及结构设计
1、炉体地沟加热区； 2、地沟烧咀； 3、耐火纤维侧炉门； 4、被加热辊筒； 5、耐火纤维吊挂炉顶； 6、炉顶烧咀； 7、炉门配重； 8、
耐火纤维炉后墙； 9、耐火纤维炉前门。
图四、过盈热装配专用加热炉根据上述方案的调查比较，按照流水线作业的工艺要求，笔者提出了新的设计方案如图四所示。
采用炉底、后墙、炉顶三面固定，炉前面、两侧面共三个活动炉门随机调整密封的炉型结构。炉底地沟采用耐火砖砌制；地沟以上后墙、炉顶采用硅酸铝耐火纤维轻型结构，具体作法是：先用槽钢、角钢型材焊成炉体钢架，在钢架上焊接固定钢板网（也可以是粗铁丝网，但镀锌铁丝不太好焊接），用细铁丝把耐火纤维压缩块临时捆扎在钢板网上，再用专门的耐火泥粘接剂外敷在炉后墙和炉顶表面，透过钢板网孔粘接固定硅酸铝耐火纤维，形成严密的隔火炉墙，待耐火泥粘接剂干结后形成坚硬的墙皮壳体，既保护了硅酸铝耐火纤维使之免于风化和受潮，又密封了炉墙炉顶，形成可靠的轻型炉顶。（此外，采用传统耐火砖炉型，很难作成单墙体悬空吊顶。）从而实现了炉底炉顶炉后墙三面固定的设计要求。炉体两侧及前面有三扇吊装活动炉门，根据炉膛进料出料要求随机启动两侧活动炉门，而后随时封闭；再根据辊筒直径调整前门开启高度，最大限度的减少炉膛热量损失，提高加热效率。炉膛采用上三下四共七个烧咀供热，最大耗气量为每小时七百立方米。在加热小直径辊筒时，可只采用地沟里的四个烧咀供热；加热大直径辊筒时上下七个烧咀同时供热，提高了炉体适应能力，增加了辊筒与火焰的接触面积与时间，有效提高了加热速度。此炉汇集了流水线地炉与台车式炉窑的优势，在炉型设计上有所创新。
1993年 4月，该设计项目按图纸施工就绪后，一次试炉成功，经十年的实际使用，充分显示了各方面的优越性，具体表现为以下几点：
1）．与原焦碳地炉相比，生产效率提高三倍左右，
原来需要二至三班作业完成的热装配任务，现在一班作业即可十分轻松的完成；原来烧焦碳地炉紧张时，每日两班尚不能满足车间生产的节拍要求，现在两日一班即可满足生产计划定额，所以，此炉型解决了郑州纺织机械厂工业生产的关键。许多外地厂家也纷纷来厂参观学习，并就相关炉型结构问题与笔者交换意见，客观展示了该炉型受欢迎的程度。
2）该热装配专用炉的设计成功，可从根本上彻底结束热装配工艺直接烧煤的落后作业方式，改善了现场操作工人的劳动条件，大大降低了操作工人的劳动强度，改善了周围的工作环境，消除了粉尘污染，解决了郑州纺织机械厂长期悬而未决的技术难题，受到了现场操作工人的好评。
3）经初步测定，该热装配专用炉热效率在 15%以上。
4．进一步改进意见：
1）目前采用烧咀仍是上世纪五、六十年代使用的低压煤气烧咀。如能选用新型节能型燃烧装置，定可进一步提高热效率，降低能耗。
2）由于热装配流水作业的特点，决定了该炉型只能开放性燃烧，不论炉体是否设计烟道，烟气都会通过辊筒出现在炉前，造成高温；在炎热的夏天，
炉前工况仍不十分理想，仍需要进一步强化炉前的通风配套设施。
3）虽然该炉型一次试炉成功，但期间风险重大，
如烧咀阀门不严或炉前通风不良，形成炉前煤气淤积，贸然点火就回造成严重的人身伤亡事故。
故笔者建议，一定要特别重视炉前配套通风设施的完善、可靠性。
4）为防止炉顶、后墙透火，硅酸铝耐火纤维的施工可靠性致关重要，所以，必须由有经验的来施工，避免炉体工作时透火，造成电线、煤气管道受热，形成难以想象的重大工伤事故和损失。
五、平板下料自动切割的环保工艺及技术装备
1,氧乙炔焰,等离子弧自动切割设备的环保问题：
氧乙炔焰，等离子弧全自动切割设备，采用两台伺服电机驱动割炬作任意平面运动，用计算机编程控制，可实现 8— 40毫米不锈钢板,10— 200毫米碳素钢板的零件或毛坯，任意形状尺寸的全自动切割；其加工精度好，工作效率高，是取代人工氧乙炔焰切割的重要设备，深受机械加工行业用户的青睐，并在众多机械加工工厂广泛使用。郑州纺织机械厂现有两台全自动切割机，一台是瑞典 ESAB
公司生产的数控火焰等离子切割机，最大切割宽度为 2500毫米，最大切割长度为 4700毫米；厚度：等离子切割不锈钢板 8— 40毫米；氧乙炔焰切割碳钢板 10— 200毫米；切割速度：等离子,450— 110
mm/min；氧乙炔焰,450— 180 mm/min;另一台是哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司生产的数控火焰等离子切割机，型号 DHG 5011;导轨跨距 5000毫米，导轨总长 14400毫米；有效切割宽度 4300毫米，有效切割长度 12400毫米；最大空行程速度
12000mm/min;切割速度 6000 mm/min;切割厚度：
氧乙炔焰切割碳钢 5— 200毫米，等离子切割不锈钢 1— 50毫米。然而，氧乙炔焰，等离子弧在中厚度钢板切割时，会产生大量的有害气体烟尘，并伴有很大的噪音；这也是长期困扰用户，影响操作现场工人健康的一大突出问题。
2、氧乙炔焰，等离子弧全自动切割的环保工艺及设施：
为了排除氧乙炔焰，等离子弧在中厚度钢板切割时产生的有害气体烟尘，笔者在郑州纺织机械厂设计过专用防尘排烟设备，如图一所示：中厚板全自动切割设备的排烟系统由集烟箱及板料支撑架，
抽风系统两大部分组成。被切割的整张钢板盖放在集烟箱上方，由集烟箱内的许多尖点 03支撑，在集烟箱与上盖钢板间形成相对封闭空间，并由抽风系统 10在此封闭空间内形成负压，所有缝隙作为补风口。当全自动切割设备在割炬 5处切割钢板时，产生的有害气体由集烟箱内的负压吸入收集起来，通过吸风罩 09，排烟管道及抽风系统 10排出厂房。
图一、中厚板全自动切割设备排烟系统集烟箱及板料支撑架； 纵向筋板； 横向筋板及板料支撑尖点； 被切割板料； 割炬； 割炬夹持器； 横梁轨道及割炬横向驱动系统； 纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统； 烟尘收集吸风罩；
排烟管道及抽风系统。
采用这一方案，在整张钢板刚开始切割时，由于补风面积小，负压大，排烟效果尚可；但上盖钢板被切除一半或一半以上时，补风面积太大，
负压衰减严重，常需要工人铺盖其他平板调整负压，给操作工人带来许多麻烦。有些工人懒于调整负压，结果厂房内经常乌烟瘴气。加上抽风机的抽风噪音，使厂房噪音高达 100分贝以上。另外、吸风罩 09、排烟管道 10占据了厂房内很大的空间，又不允许磕碰，使操作工人感到十分不方便。将污浊的烟尘直接排放到厂房外大气中也十分不妥。
为解决上述问题，笔者设计了第二套环保工艺方案如图二所示：加大加高原来的集烟箱，变集烟箱为集水箱，拆除原有的通风管道，在原有的吸风罩位置增设循环水系统，循环水系统由水泵管路及集水槽组成。被切割钢板依然用尖点支撑平放在集水箱内，此时集水箱内水面低于被切割钢板平面，以便于氧乙炔焰割炬点火。欲切割钢板时，先点燃割炬，然后将集水槽内的循环水用水泵抽入集水箱，让水淹没钢板，使割炬在水下切割。这样，切割钢板时产生的有害气体烟尘全部淹没并大部分溶解在水中。采用此工艺方案，
厂房内空气质量大为提高，有害气体浓度明显降低，节省了原有排风管道占据的空间，并且使厂房内噪音控制在 70分贝以下。操作工人的工作条图,全自动切割水循环系统排烟装置
、集烟箱及板料支撑架；,纵向筋板；,横向筋板及板料支撑尖点；,被切割板料；,割炬；,割炬夹持器；,横梁轨道及割炬横向驱动系统；,纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统；
、水泵及抽水管道；,电磁阀及排水管道；,集水箱。
件得到了明显的改善。
尽管氧乙炔焰、等离子弧割炬水下切割效果不错，但也产生了新的问题，当被切割钢板局部变形或局部支点不平使钢板局部翘起时，由于浑浊的循环水淹没了割炬切割位置，无法看清割炬的切割状态，当割炬碰着水下的翘起钢板高点时，
要么割炬被撞坏；要么割炬偏转变形，影响了零件的切割效率与质量。为此，需设计专用装置，
将割炬的异常状态反馈给操作工人，以便于操作工人及时调整处理。3、自动切割机水下切割防撞机构的基本结构及工作原理笔者设计的全自动切割机机械式水下切割防撞机构如图二所示：该机械式防撞机构代替原切割机割炬夹头；
割炬夹头；
球面座；
球面端盖；
顶块；
滑套；
撞块；
连接块；
滑键；
壳体；
弹簧；
底盖。
图二、机械式防撞机构装配图的割炬夹持器 06，并安装固定在相应位置；防撞机构主要由：割炬夹头 01,02；球体接头 03,04；滑套 06及相关的壳体 10，球面端盖 04，弹簧 11等部分组成。割炬夹头分为 01,02两部分，通过螺栓连接固定割炬，并用螺钉将 02固定在球面座 03上。球面座 03的大凸球面与球面端盖 04的凹球面配合铰接；
受力时，球面座 03可相对球面端盖 04转动。球面座
03小球面端用螺钉固定有两个顶块 05，其凸曲面与滑套 06一端的两个凹曲斜面想吻合；当割炬受阻使球面座 03相对壳体 10偏转时，球面座 03上的顶快 05
将通过凸曲面迫使不能转动的滑套 06沿轴线方向滑移。滑套 06上装有固定的滑键 09，可在壳体 10的通键槽内滑动，并限制滑套 06转动。滑键 09上用螺钉安装固定有连接块、撞块 08,07，透过壳体 10上的长圆通孔与滑套 06同步沿壳体 10键槽滑移，并以撞块 07撞击行程开关（或接近开关）产生报警信号，并使割炬驱动电机断电制动。滑套 06由弹簧
11顶紧，在人工调整割炬高度时及时复位。
在割炬正常切割工作时，防撞机构内所有零件静止不动，相当于一个刚性的割炬夹持器。因球面座 03与滑套 06环形平面接触，割炬向下的重力无法使球面座 03向下偏转。因此沿割炬轴线上下方向的作用力对防撞机构都不产生任何影响。
当割炬向右行走碰到工作阻力时，通过夹头 01
,02迫使球面座 03压迫滑套 06克服弹簧 11的阻力滑移，并使撞块 07撞击行程开关，发出警报信号
，使驱动电机断电制动。
当割炬前后行走碰到工作阻力时，引起割炬偏转，进而使夹头 01,02，球面座 03及凸块 05同步偏转，通过与滑套 06吻合的斜面，迫使不能转动的滑套 06并撞块 07沿水平线滑移，同样撞击行程开关产生报警信号，使驱动电机断电制动。
当操作工人接到报警信号，调整好割炬相对钢板的切割距离后，防撞机构复位，切割机又可以继续切割。
氧乙炔焰、等离子弧全自动切割设备，采用文章介绍的水下切割工艺及装置，较圆满的解决了工作现场的环保问题。故笔者认为，文章介绍的环保工艺及装置，具有十分重要的推广价值与实用意义。
六、宽砂带磨削去除薄板零件毛刺的设备薄板平面零件冲压加工或激光切割,等离子弧切割后，周边总会产生一些飞边毛刺。采用通用平面磨床修理周边毛刺、飞边，效率低，工时费用较高
。采用电动砂轮机和砂布带轮手工修理，工时费用低，但工人操作安全性较差，工作效率不高。当厚度不大的平板类小零件品种、数量较多时，需要设计专用设备来处理平板类零件周边的飞边毛刺加工工艺问题。
一、去毛刺专用砂带磨削设备的结构特点及工作原理：
根据宽砂带磨削，一次磨削宽度大，磨削效率高的特点，笔者设计了专用宽砂带磨削设备，如图图 1 宽砂带磨削去毛刺志用设备
1砂带磨削头 2 宽砂带 3 压缩弹簧 4 浮动从动带轮 5 磁性工作台
6 磨削工件 7 传送带机构 8 料箱及挡板 9 蜗轮 10 丝杠 11 蜗杆机手轮 12 皮带张紧机构
1所示：主要由砂带磨削主动力头 1，传送带机构
7及磁性工作台 5三部分组成。该专用设备采用
500mm宽砂带，由皮带传动方式组成砂带磨削头
，由电动机直接驱动。砂带的张力由两组压缩弹簧 3产生，并自动调整。
需去毛刺的平板类工件由人工摆放到传送带 7的右端，摆放时零件的飞边毛刺面朝上，由传送带自动输向磨头。当进入工作台 5的磁性区域时，靠磁铁将零件吸贴在帆布传送带上。当砂带对工件表面磨削时，依靠工作台的磁性，吸住工件与输送带同步通过砂带磨削区域。当传送带驱使工件离开工作台磁性区域时，工件自动消磁，到达传送带左端主动轮 7处，依惯性力方向自动脱离传送带，甩入料箱 8中。
二、几点工艺问题的说明：
1、宽砂带磨削：
目前砂带磨削在国内已有了多年的成功经验，
主要用于木工抛光，而且砂带宽度多小于 200mm
，这是由于砂带环形粘接后，喇叭口问题始终解决不好，砂带越宽，砂带两端张力相差越大，越容易出现砂带起皱，走偏。笔者设计的砂带磨削设备采用 500mm宽砂带，由于从动带轮两端采用两组压缩弹簧 3自动张紧，对先天形成的喇叭口有一定的适应性。另外，主动带轮采用鼓形，中间大
，两头小，使砂带中间张力大于两端。从动带轮两边加工有旋向相反的螺旋槽，在从动带轮与砂带接触产生摩擦力的同时，两边向外产生不大的拉力。
本设备在试验阶段，没有出现十分明显的砂带起皱，走偏现象，但应注意使工件摆放均匀，尽可能避免宽砂带两边摩擦力相差太大。2、磁性工作台的调整：
磁性工作台的调整包括磁力调整与工作台高度位置调整。
在砂带对工件磨削时，工作台磁力太小，将无法驱使工件与输送带同步通过磨削区域，甚至会使工件沿砂带运动方向飞出去，造成工伤事故。但磁力太大，又会增加皮带输送机的工作阻力。因此，
针对不同厚度尺寸工件的固定需要，工作台磁力应能调整。该专用设备的工作台选用 M 7120平面磨床的工作台，采用工作台与帆布传送带间贴加非导磁材料的办法，通过固定不同厚度的不锈钢板或四氟塑料板，来调整工作台对工件的磁力大小。
在平板零件去毛刺磨削时，针对不同厚度的工件，工作台相对磨削头的位置高度，需作相应调整。另外，磨削力的大小很大程度取决于磨头对工件的正压力，磨削力的调整，也需要由工作台高度调整来实现。该专用设备的工作台高度位置的调整，通过图 1所示机构中蜗轮蜗杆和丝杠螺母传动机构来实现。如图 1所示，转动手轮驱动蜗杆，带动蜗轮 9转动。蜗轮 9的中心加工有螺母
，与螺母配合的丝杠与工作台固定在一起，由螺母推动丝杠与工作台上下移动，由此实现工作台高度方向的位置调整。由于丝杠螺母和蜗轮蜗杆传动都有自锁性，且传动比大，故工作台位置及磨削力调整可十分可靠。
3、磨削速度调整：
磨削速度是影响磨削力的另一个要素，针对不同形状、尺寸的零件磨削要求，磨削速度应在一定范围内可调。按图 1所示的设计方案，砂带线速度调节相对比较困难，故磨削速度可通过传送带线速度的调整来实现。本设备的传送带主动轮，由电动机通过一台锥形盘手动调速器驱动，故传送带的线速度可在 1,8范围内手动调整。砂带磨削与砂轮磨削相比，工作效率高，设备费用低，但由于机械振动问题和宽砂带制作自身质量问题，平面磨削质量不如砂轮平面磨床的磨削质量，故宽砂带磨削在金属表面加工的应用方面进展迟缓。但本课题实践证明，砂带磨削去毛刺工艺还是十分成功的。
七、堆垛机存取货叉行程增倍机构的设计与应用 现代纺织业生产管理中，纺织产品和原材料采用现代化立体仓库周转储运是发展方向，而且也最具备实现的客观条件。现代储运立体仓库通常可分为固定的立体货架和自动化堆垛机两部分，由堆垛机实现物料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的主要机械动作有：转运车巷道运输行走，货物周转箱自动提升下落，货叉伸缩向立体货架存物取货；
其中，货叉的自动伸缩机构设计难度最大，主要表现为：
1）为了尽可能合理的利用立体货架空间，自动伸缩货叉机构在满足刚度要求的前提下，应尽可能降低自身高度，结构也不宜复杂庞大。
2）为使货物在立体货位上摆放整齐，稳定可靠，
货叉伸出行程应大于等于物品周转货箱的长度。
3）为使堆垛机存物取货动作灵活可靠，货叉伸缩机构应尽可能减小摩擦阻力和机构运动间隙。
4）根据巷道堆垛机的工作空间限制，为使货叉结构紧凑，尽可能降低造价，伸缩货叉的原动机应尽可能重量轻，体积小，并能用最小的动作行程，满足货叉双向伸缩的工作行程要求。
针对上述要求，笔者认识到：堆垛机伸缩货叉必须采用一种能使原动机动作行程增倍的双向驱动直线运动机构，为此，笔者的货叉伸缩设计方案选择了齿轮齿条组成的直线差动机构。
1、轮齿齿条组成的直线差动机构工作原理：
图 1所示为一个双联齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，假设齿条 1为固定齿条，齿条 2为从动齿条，双联齿轮 1的分度圆直径 D1大于齿轮 2的分度圆直径 D2，当滚动的双联齿轮的齿轮 1沿固定齿条 1滚动时，由双联齿轮 2驱动的从动齿条 2将以双联齿轮中心运动相反的方向水平移动。其相对运动的距离
,L=（ D1-D2） πn,式中 n为双联齿轮转过的圈数。按此计算公式，当双联齿轮 D1=D2时，不论双联齿轮转过的圈数为多少，齿条 1与齿条 2走过的相对距离为零；
图1、齿轮齿条直线差动机构图2、直线差动行程增倍机构图 2所示为一个滚动齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，与图一相比，从动齿条 2在滚动齿轮的上方，根据相对运动原理，滚动齿轮与固定齿条的节点为二者的速度瞬心，当滚动齿轮相对于固定齿条 1滚动时，从动齿条 2将沿滚动齿轮中心运动相同的方向，以滚动齿轮中心两倍的速度平行移动。这样，就形成了从动齿条 2相对于滚动齿轮中心速度与行程的增倍机构，为满足堆垛机货叉伸缩的动作要求提供了理论依据。
2、堆垛机三层货叉直线差动行程增倍机构的组成与工作原理：
图 3所示为一般设计人员最容易想到的存取货叉机构，它以步进电机作为驱动元件，步进电机固定物料集装箱；2,上叉；3,中叉；4,上叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,步进电机；8,下 叉；9,导向滚轮。
图3,齿 轮齿条直线差动行程增倍机构示意图在中间货叉 3上，下叉 8固定在堆垛机升降平台上，
下叉齿条 5用螺栓固定在下叉上；与此对应，上叉 2
上也固定有上叉齿条； 这样，固定在中叉 3上的步进电机 7直接驱动齿轮 6，即可实现上叉 2相对中叉 3
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
三层货叉结构设计的直线差速平移运动。另外，在各层货叉间采用滚动轴承作导向滚轮，一方面减小了相对运动的摩擦阻力，减小了运动间隙，提高了直线差动行程增倍货叉机构的运动精度、灵活性与可靠性。
该设计方案结构简单，动作平稳、灵活、准确；
适用于运动精度要求较高的中小零件立体库。但依此方案为避免齿轮齿条啮合脱落，上叉 2不可能充分外伸到下叉 8以外，可能会影响到物料集装箱 1进入立体库的准确位置要求。
为使上叉充分外伸，满足物料集装箱入库的自动定位要求，可采用图 4所示的四层货叉直线差动增倍机构。该机构采用两套驱动齿轮，除步进电机直联的主动齿轮 6外，在第三层货叉上通过轴承座
12固定两个驱动齿轮 13，在第二层货叉 3与第四层物料集装箱；2,第三层货叉；3,第二层货叉；4,三层货叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,步进电机；8,下叉；9,导向滚轮；10,四 层货叉齿条；11,四 层货叉；12,四 层货叉驱动齿轮轴承座；13,四层货叉驱动齿轮；1 4,二层货叉固定齿条。
图4,四 层货叉直线差动行程增倍机构示意图货叉 11间形成又一套直线差动行程增倍机构，由此增加了上叉的外伸行程。但是，该结构的缺点也十分明显，一方面使整个存取货机构更加复杂；另一方面增加了货叉的自身高度，必将增加立体库每一层的高度，增加了立体库无效存储空间的比例。另外，上述两种设计方案均采用步进电机作驱动元件
，成本太高，使众多用户望而却步。
图 5所示为笔者设计的堆垛机三层货叉直线差动机构，图 a为三层货叉中间断面图。图 c为三层货叉伸展开的示意图；图 b为三层货叉收缩后的结构示意图。其固定货叉 1固定在巷道转运小车的自动上升降平台上；并在固定货叉 1上安装有固定齿条
5和原动机 — 双向液压油缸 3，在油缸两活塞杆端安装有两个可转动的滚动齿轮 4，滚动齿轮 4上方设置
a)
图 3 三 层直线差动货叉结构及工作原理示意图
、固定叉；2,链轮；3,双向油缸；4,滚动齿轮；5,下叉齿条；
6.上 叉齿条；7.中 间货叉；8、导 向滚轮；9、链 条；10,上叉；
11,上叉滚轮。12,链轮 支承座；
有固定在中层货叉 7上的从动齿条 6，这样，当油缸驱动齿轮 4在固定齿条上滚动时，通过从动齿条驱使中层货叉以活塞杆双倍的速度与行程沿滚轮中心运动方向平移。
根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求，采用双层货叉行程增倍机构是不够的，还必须实现第三层货叉的行程增倍直线差动。为了实现上层货叉的增倍平移，笔者在中间货叉两端设置有两个可转动的链轮，这两个链轮相当于滑轮组的两个动滑轮，
如图 3b所示，与左端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的右端；与右端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的左端。这样链轮与链条传动就相当于齿轮与两根柔性齿条的定比传动；与齿轮齿条传动时
，速度、行程增倍机构原理相同，当中间货叉 7水平移动时，通过链轮链条传动，上叉 10就以中间货叉两倍的速度与行程沿滚轮中心移动方向水平移动。这样，当双向油缸驱动活塞杆并滚动齿轮 4
水平行走 1/6固定货叉长度的行程时，中间货叉 7
相对固定货叉 1水平移动 1/3的固定货叉长度行程；
而上叉 8相对中间货叉 5水平移动了 2/3的固定货叉长度行程；相对固定货叉 1水平移动了一个固定货叉长度行程，最终满足了货叉伸缩的行程动作要求。同时，为了最大限度的缩小货叉机构的结构尺寸，双向油缸的液压泵站设置在巷道转运小车上。
三层货叉直线差动机构的结构特点如图 3b所示，
在上叉的全部行程中，中间货叉 5相对下叉 1行走
1/3行程；上叉 8相对中间货叉 5行走 2/3行程，上叉与中间货叉之间；中间货叉与下叉之间均有合适的导向接触面长度，保证了三层货叉伸出时的相对刚度要求。最重要的是，三层货叉采用了齿轮齿条组成的直线差动行程增倍机构，能使双向驱动油缸用固定货叉自身长度的 1/3动作行程，满足上层货叉双向伸缩固定货叉自身长度的工作要求，这是其他设计方案难以实现的。
笔者设计的链传动三层货叉直线差动机构，在郑州纺织机械厂冷二分厂模具立体仓库和机加工二分厂零件管理立体库中，经多年使用效果良好，而且其结构紧凑，动作灵活，造价合理，受到了现场工程技术人员的一致好评。
八、物流立体库的结构设计概述,
现代物业生产管理中，各种产品和原材料采用现代化立体仓库周转储运是发展方向，现代储运立体仓库通常可分为立体货架和自动化堆垛机两部分
，按照货物存储方式，立体仓库又可分为货叉式和辊道式两种；货叉式立体仓库的货架为固定钢架，
货架上不需要任何机械传动装置，由堆垛机实现物料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的主要机械动作有：转运车巷道运输行走，货物周转箱自动提升下落，货叉伸缩向立体货架存物取货；图一所示为 8列 13行 7层立体仓库总体结构示意图。
0 7
0 6
0 5
01、出库平板车；
02、货架；
03、堆垛机：
04、巷道地轨；
05、堆垛机底盘；
06、立柱；
07、天轨。
立体仓库示意图
04
03
02
01
01、出库平板车；
02、货架；
03、堆垛机：
04、巷道地轨；
05、堆垛机底盘；
06、立柱；
07、天轨。
立体仓库示意图
04
03
02
01
立体仓库示意图
01
02
03
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18
19
20
货叉式立体仓库机械传动机构原理图
01、地 轨；
02、车 轮；
03、链 轮；
04、下 平板；
05、链 轮；
06、减 速电机；
07、货 架立柱；
08、货 架承重横担
09、中 间平板；
10、三 层货叉机构
11、货 盘 ；
12、配 重；
13、链 轮；
14、上 平板；
15、支 撑架；
16、天 轮；
17、天 轨固定钢架
18、天 轨；
19、货 叉提升电机
20、导 向立柱。
如图所示为单轨货叉式立体仓库一个巷道存货单元的机械传动结构图，下底盘 04采用带编码器的减速电机 06通过链传动驱动，由程序控制实现巷道车在同一排巷道内的行走，用光电开关或干簧管实现巷道内行走的认址定位；由于下底盘是双轮单轨行走，重心又高，为保证堆垛机巷内行走的安全稳定性，在货架上空固定有工字钢制成的天轨 18，由堆垛机上平板 14处设置的天轮 16导向，来保障巷道车行走的稳定性要求。上下平板间采用双立柱支撑
，同时双圆立柱 20也作为货叉升降的导柱。货叉 10
的升降与定位方案与下平板原理相同，只是程序要复杂一些，因为货叉上升的货位高度应略高于货架指定层高 10--20毫米，使货叉伸出时与货架悬空，
以避免与货架干涉并减小货叉的伸缩阻力；待货叉伸缩到位后由升降系统控制下降 20— 30毫米，将货盘（料箱） 11放置在货架的承重横担 08上，与此同时，货叉与料箱脱离接触，货叉悬空收缩回到原始位置。因此，货叉堆垛机每一次存放货物的顺序动作应该是,① 将物品货盘放置在货叉上（货叉处于原始收缩状态）； ② 由行走机构驱使堆垛机行走到指定的行位； ③ 由升降机构提升货盘到指定的层位； ④ 货叉 10伸出，将货盘 11送入指定的货位； ⑤ 升降机下降 15— 25毫米，将货盘 11放置在货架的承重横担上，使货盘与货叉脱离； ⑥ 货叉缩回到原始状态； ⑦ 货叉再次下降到堆垛机合适的原始高度； ⑧
堆垛机行走出巷，回到原始位置，准备执行下一个任务指令。
货盘的升降采用链传动方案：在上平板上设置
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
三层货叉结构设计有带编码器的减速电机 19，通过上平板处的链轮提升系统 13，实现中间平板 09两个（或四个）受力吊点的同步升降；在固定有三层货叉的中间平板 09上，设置有轴瓦式导向机构，以实现货盘升降时的平稳、顺畅。另外为减轻货盘升降阻力，
在链轮提升系统的一端，还设置有配重 12，以平衡中间平板和三层货叉的自重。
图 3所示为三层货叉结构和工作原理图，它以带编码器的减速电机 7作为驱动元件，减速电机 7
固定在中间货叉 3上，下叉 8固定在堆垛机升降平台 09上，下叉齿条 5用螺栓固定在下叉 8上；与此对应，上叉 2上也固定有上叉齿条 4； 这样，固定在中叉 3上的减速电机 7直接驱动齿轮 6，即可实现上叉 2相对中叉 3的直线差速平移运动。另外，在各层货叉间采用滚动轴承作导向滚轮，一方面减小了相对运动的摩擦阻力，减小了运动间隙，提高了直线差动行程增倍货叉机构的运动精度、灵活性与可靠性。
货叉式立体仓库的优点是：货架结构简单，总体造价相对较低，所有机械故障全部集中在堆垛机上，故障率较低；机械维护比较方便。因此一般的图3.齿 轮齿条直线差动行程增倍机构示意图货盘；2,上叉；3,中叉；4,上叉齿条；5,下叉齿条；6,驱动齿轮；7,减速电机；8,下叉；9,导向滚轮。
中小型物品存放，多采用货叉式立体仓库。
货叉式立体仓库的缺点是：当物品体积庞大，
重量超重（超过 500公斤）时，可能使货叉伸缩行程过长，刚性不足；影响货叉动作的准确性和灵活性；同时，由于货叉的存取动作需要一定的空间，
这对于每一个货位可能算不了什么，但对于整个立体仓库而言，空间浪费太大。另外，三层货叉采用的是行程增倍机构，当存物太重时，物体的惯性可能影响堆垛机动作的平稳性。因此生产实践中，对于一些超大超重的物品存放，多采用辊道式立体仓库。
辊道式立体仓库的总体布局，行走、升降机构的动作原理、定位形式与前面所述的货叉式立体仓库大致相同，只是货架结构和堆垛机货盘存取托辊驱动机构有较大的差异。
如图所示为钢板立体库的货盘，针对薄钢板存放重量、尺寸大，钢性差的特点，货盘底部用方钢管焊接形成承重框架，以满足整叠钢板储运过程中的强度刚度要求；而用薄钢板焊接形成的货盘，只起到限位导向作用。
图示钢板存放辊道式立体仓库，每一行两边分别各设置有一台减速电机 22，通过立轴 02、圆锥齿轮 03,04；可驱动该行每一层的货架上的每一个承重横托辊同步转动，在每一个货架存储单元内有一根横轴 07，横轴 07上装有一个电磁离合器 05和两个链轮 06，当该存货单元的电磁离合器 05按控制指令吸合时，可将立轴 02的转动通过横轴上的两个链轮经链传动传递给每一个承重横托辊 11，实现该存货钢板存放货盘
25 26
151413121110090807060504030201
01,天轨；
02,立轴；
03,圆锥齿轮；
04,圆锥齿轮；
05,电磁离合器；
06,链轮；
07,横轴；
08,天轮；
09,货盘存取托辊机构升降驱动电机
10,横轴；
11,货架横托辊；
12,链轮；
13,天轨固定钢架
14,丝杠驱动齿轮
15,圆锥齿轮；
16,联轴器；
17,导向立式托辊
18,导向立柱；
19,货盘存取托辊机构升降传动丝杠
20,上平板；
21,底盘；
22,货架托辊驱动减速电机；
23,货盘存取驱动托辊机构；
24,底盘驱动电机
25,货盘；
26,货架固定立撑辊道式立体仓库机械传动系统图
2423
22
21
09
200108151419181712031602
货架俯视平面和堆垛机货盘存取驱动托辊机构平面图。
251219171 8
27
12
11
23
07
05
06
04
03
17
27
28
29 03、圆锥齿轮；
04、圆锥齿轮；
05、电磁离合器；
06、链轮；
07、横轴；
11、货盘驱动横托辊；
12、链轮；
17、货盘导向立托辊；
18、导向立柱;
19、货盘存取驱动托辊机构升降传动丝杠。
23,货盘存取驱动托辊 机构 ；
27、轴承座；
28、制动插销排；
29、导向轮机构；
单元内所有承重横托辊的同步转动，进而完成该单元内货盘的进库出库任务；反之，如果该存货单元的电磁离合器没有吸合，则该存货单元内装在横轴上的圆锥齿轮 04要么不转（该行货架没有接到动作指令，电机 22并立轴 02处于静止状态），要么空转
（该行某一层存货单元有存取货物的动作要求）；
此时横轴 07上的链轮 06和该存货单元内的所有承重横托辊处于静止状态。为了避免货盘进出货架时走偏，造成货盘与货架干涉，甚至货盘被卡死，在货架上还设置有多个无动力驱动的立式导向托辊 17，
十分有效的限制货盘进出方向。同时，为了防止货架上现存的货盘在机械振动条件下自动出库，造成不应有的事故，货架的后部设置有固定立撑 26，作为货盘入库的死限位；货架前部（面临堆垛机处）
设置有制动插销排，作为安全防护装置，它由弹簧顶出，可用电磁铁吸合复位。
与前述货叉式立体库不同的是，钢板立体库的堆垛机采用货盘存取辊道驱动机构，采用单独的减速电机，可驱使货盘承重辊道双向同步转动，以完成货盘在库内双向存取的动作要求。其货架和堆垛机存取货机构的平面结构如图所示，其货盘导向与安全制动防护装置，与前述货架相同。
另外，堆垛机存取货托辊驱动机构的升降，采用丝杠螺母传动来实现，在堆垛机上平板处有一台固定的减速电机，通过圆锥齿轮驱动横轴 10转动；
在横轴 10的两端固定有两个圆锥齿轮 15，可驱使与两根丝杠 19一体的圆锥齿轮 14同步转动；在存取或托辊驱动平台 23上与两丝杠配合处，固定有两个螺母，受导向轮机构 29的制约，当两丝杠 19同步转动时，存取货托辊驱动平台 23只能沿丝杠轴线方向升降平移。导向轮 29采用偏心轴调整导向间隙，提高了平台 23的导向精度与操作的方便程度。
与货叉式立体仓库相比，辊道式立体仓库的堆垛机结构简单，动作平稳、可靠，动作空间小，整体空间利用率高，在存取货物的过程中，由于导向
、防护限位机构的作用，辊道的转动限制比较灵活
，降低了对辊道驱动电机的控制要求和难度，给整体设备的自动控制创造了更大的操作发展空间；其缺点是,每一个货位都要有一套辊道驱动装置，每一行货架都设置有两台驱动电机，货架整体造价较高；同时也给后续的设备维护，故障检测排除增加了费用和难度。
正确可靠地存取货箱，准确地认址定位是关键。认址方法是：在巷道地基上相对于每列货格安装一固定的认址片 (挡板 )，在堆垛机底部安装 4个光电开关 (GDI和 GD2)与 (GD3和 GD4)随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号到 PLC，从而达到列认址目的；同样，在堆垛机立柱上相对干每一层安装一认址片，在其升降台安装光电开关 GD5和 GD6
随升降台一起上下运动，达到层认址的目的。光电开关的脉冲输入信号作为 PLC内部认址计数器的计数信号，计数器的当前值作为速度控制的据。
当堆垛机到达目的货格即计数器的计数值计到零时，发出停车信号使其停止运行。升降台上的光电开关 GD3又用 PLC内部的计数器接收光电脉冲，
堆垛机对其定位精度要求是很高的。比如列定位，要求堆垛机能停在目的列货格的中心线上，误差不超过 2mm。否则，由于误差的积累，在货叉存取货箱时易碰到货架或发生其他事故。但是发出停车信号后，堆垛机由于惯性还会滑行一点，这样，
光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们把认址结构片做成如下图 1所示的形式。用 1号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用 1号和 2号开关作精确定位。如果 1
号 2号开关同时有信号，说明已停准；如果只 2号开关有信号，说明己超过，点动堆垛机回退，再检测比较；如果只 1号开关有信号，说明还未到中心升降台每经过一层，计数器减 1计数，从而达到层方向认址的目的。
点，点动堆垛机前进，再检测比较；这样达到准确定位的目的。
GD1
GD2
九、双环转盘式轿车存放立体库的研究与分析
1、建造立体车库的意义：
随着现代汽车工业的高速发展和人民生活水平的提高，大型商场、会场门前的停车，越来越成为迫切需要解决的问题。目前许多商场、会场门前的停车场，占据了太多的空间场地，既影响了市容交通，又带来了许多安全事故隐患。因此，立体库存车方案，越来越受到社会的广泛关注；目前网上报道的立体车库，需由专用牵引车，将客户的车体牵引到车库设定的车位；工作效率低，成本高，占地面积大，自动化程度低，而且外观形象太差，并没有受到社会的青睐。为了更好的解决停车问题，笔者提出了旋转式立体车库的设计构想。
2、旋转式立体车库的设计方案：
笔者的旋转式立体车库设计方案如图一所示，
车库为双环 8层立体结构，外环大径 35米，小径 25
米；内环大径 24,9米，小径 14米；车库内外圈各有一个汽车升降机构。外圈的升降机构专用于汽车提升，内圈的升降机构专用于汽车下降。另外，在车库的四周还设置有若干专供司机出入的电梯。当一辆外来的汽车需要停车时，司机可在车库某一指定的管理位置领到一个车牌，上面写着该车应该停泊的库层车位，汽车排队由外圈提升机将该车连同司机一起提升到指定的库层，在车体上升时，车库已按车库管理中心的信号，将设定的空位 转到提升机门口。在提升机与车库一起停稳后，由司机本人将车开到车牌指定的车位，将车锁定后，通过其它外环车库；2,内环车库；3,固定环形通道；4,载车下降电梯；5,乘客电梯；6,载车主下降电梯；7,载车提升电梯。
图一、双环旋转式立体车库平面布局图。
乘人电梯下降到地下层，离开车库；取车时，也在底下层由乘人电梯上升，按车牌找到自己的车位，
上车后，用车牌发出离库信号；车库计算中心接受到信号后，按先后顺序排序操作，由计算中心控制双环车库，以最短的路径为司机准备好出库通道。
此时，内圈的升降机构也停在相应位置，开门迎候司机出库。当司机接受到计算中心发出的出库指令时，将车开进内圈的出库升降机构，下降到地下车库；由底下专用车道离开车库，由此完成旋转式立体车库的一次存取车过程。
二、旋转式立体车库的可行性分析按上述设计方案，每个车位为一扇形面。假如每个车位以小径处 3米长为界，内环可设置 14个车位，外环可设置 26个车位（按小轿车型设计，车长小于 5米）；内环预留 3个车位作机动通道，每层可存放 37辆车，全库地上八层可存放 296辆车。按每辆泊车占地 3米 × 6米 =18平方米,962平方米的圆形立体车库可代替 5328平方米的平面停车场地。而且商场、会场前，一个圆形立体车库，近 2000平方米的广告面积，带来的广告效应与经济效益，也是十分可观的。
作为存车的客户，存车、取车由车主与管理控制中心协调进行，比较符合车主的心理；车体进入车库后，就象进入了一个黑箱，除司机外，没人知道车体的准确位置，增加了存车的安全性，盗贼即使有偷车的妄想，没有车牌也无法将车开出车库。
另外，因车主参与了整个存取过程，可最大限度的简化车库的设置与机构（不再需要其他的牵引装置与机构），减少了车库的管理人员。
3、几个相关的技术问题与对策
1）车库旋转驱动功率：
由于旋转立体车库为焊接刚架结构，假设内环自重 30吨，外环自重 50吨，加上存车重量，内环
11X1.5X8=132吨；外环 26X1.5X8=312吨，要使立体车库转动，需要很大的动力。为了最大限度的减少工作负载，立体车库底盘采用 V型环滚道加钢球滚动体，组成平面推力滚动轴承结构；设滚动摩擦系数为 0.05；则形成：内圈负载力矩 T1=（ 132+30）
X10000X7X0.05=567000NM；外圈负载力矩 T2 =
（ 312+50） X10000X17.5X0.05=3167500NM，按内圈线速度 0.2M/S，外圈 0.3M/S驱动，则 T=9550P/n
n1= 60V/π D1= 60X0.2/14 π = 0.273 r/min;
n2= 60V/π D2= 60X0.3/35 π = 0.164 r/min;
P1= 567000X0.273/9550 = 16.2KW;
P2 =3167500X0.164/9550 = 54.4KW,旋转立体车库的驱动功率在常规可接受的范围以内。
2）传动方案：
按常规设计方案，要使底盘旋转，最容易想到的是减速电机加齿轮传动。因为底盘齿圈最大外径为 35米，如此大的齿圈，加工难度大，成本费用高，现场安装精度（多块对接园整精度）难以保证；为了最大限度的降低成本，笔者的设计方案如图二所示：采用链轮滚柱 传动，在上底盘 V型环轨道外侧，加工一环型槽，零件图如图三所示：在环槽上按 1″链节距（ 25,4毫米）打 4325个 Φ15.88
外环底板；2,内环底板；3,立柱；4,基础地板；5,钢球；6,上底板V 形环槽；7,下底板V形 环槽；8,油马达；9,链轮；1 0,支承架。
图二、双环旋转立体车库底盘驱动示意图图三、上底盘V形 环槽截面示意图
mm的圆孔，安装 4325个圆柱销，用圆柱销槽轮代替大齿圈；虽然 V型环轨道和大型环槽都需要数控加工，都有对接难度，但是比大齿圈加工制造成本要低许多，也降低了安装精度要求。另外，转盘式立体车库要求驱动功率太大，减速机构庞大，至少结构设计比较困难，外形也太不美观；为了简化传动机构，笔者的设计方案采用油马达驱动主动链轮，
并由此驱动环槽滚柱转动。为使结构美观，驱动可靠，底盘环槽滚柱可采用 3— 5处油马达串联驱动，
这样也有利于速度，驱动功率的调整。按前面所述传动方案，双环转盘式立体车库需要两套液压驱动系统驱动内外两环转盘；液压泵站可设置在较远处
，可增加美观，也降低了环境噪音。
3）工作效率方案按前述转盘式立体车库设计方案，客户取车时
，从地下车库内圈的专用乘人电梯上升到目标库层
，出电梯经内圈的固定环形通道，寻找自己的轿车；发现目标后，踏上慢慢转动的内外环车库平板，
接近自己的轿车（为提高工作效率，转盘大多数时间在转动，这也是本设计方案的一大缺点），坐在车上给立体车库计算机管理中心发出库信号，然后由计算中心指挥出库。按此方案，内外环车库转速太快，影响司机安全；旋转太慢，影响取车速度。
按客户心理，库外存车速度太慢，司机会考虑去别处存车；特别是取车太慢，司机在车库内心情不好
，必定会影响司机的下一次存车热情。为了加快取车速度，可在内圈均匀设置 3— 4个出库载车电梯；
汽车入库时，管理中心优先安排内圈车位，但必须预留 3--4个车位作机动车道。当轿车停在外圈车位出库时，内圈由计算机控制中心计算确定最短路径
，让内圈通道接近出库车位，内圈车库相对出库车位停稳后，由司机将车开到内圈车位，再以最短路径接近出库载车电梯，再停稳后由司机将车开进出库电梯，然后经地下层开出车库。
也可由计算中心控制内外圈，以最短路径让内外圈相对旋转；在内环车库通道接近出库车位时，让内外圈车库同步转动，此时内外环车库底板不再有相对转动，客户伺机将车开进内圈通道，
停在指定位置后，计算中心以最短路径，将车位与出库电梯对接，使出库汽车尽快出库。当然这对控制中心的计算机管理系统提出了更为复杂的控制要求，对库内光电认址机构也提出了更为严格、敏捷的精度要求。也相对提高了计算机管理系统的档次与成本。
4）、认址精度与互锁要求作为双环旋转式立体车库的控制系统，用计算机程序控制实现小轿车入库、出库的全部监测与管理，一个十分重要的前提条件就是要求内外环车位相对车体升降机构的准确认址与定位，这种认址与定位精度的准确性，直接关系双环旋转式立体车库系统控制的成败。另外，在小轿车通过升降电梯入库出库时，双环旋转式立体车库与升降电梯之间不得有相对运动，即双环旋转式立体车库与升降电梯之间的运动必须互锁。否则不仅会出现严重事故，
也影响双环旋转式立体车库与升降电梯的系统控制精度。当然，在科学技术高速发展的今天，这些不会成为双环旋转式立体车库实施的太大问题。
双环旋转式立体车库是一个多学科相关的课题
，也是目前社会急待解决的难题，其存车量、占地面积、工作效率、制造成本等要素的最佳组合方案，值得各学科相关人士仔细商榷。笔者深切希望双环旋转式立体车库的设计方案，能得到社会各方人士的关注，并不断加以完善。希望双环旋转式立体车库能尽快实施，解决问题，造福人类。
拾、包装机械：
包装行业是一个新兴的行业，随着市场竞争的日益激烈白热化，产品形象广告效应对包装行业提出了越来越高的要求和越来越多的需求．
1 小型包装机的现状纵观国内现有的包装机械，除大型生产包装线外 (许多是从国外引进，产品生产后随即包装，如奶粉、洗衣粉之类，耗资大，占地面积大，物料多品种适应性差 )大都处于一种落后的局面，如一些家庭个人小作坊，买一些现成的包装袋 (包装袋有人专业生产，也十分精致、漂亮 )将需要包装的粉状、颗粒状食品或其它商品用量杯类器具灌装在袋中，用热膜封口机封口后流通于市场．这种包装作业方式不仅不符合卫生条例，产品计量无法保障，也为产品掺假、制假大开了方便之门，是目前产品升级、上档次必须严格杜绝的包装作业方式．
80年代末，国内陆续引进并迅速发展生产了一系列机械传动的小型全自动包 (灌 )装机，因能基本上满足小袋物品包装从有计量的落料到制袋、灌装、分割等动作的自动化作业．生产效率和包装质量得到了很大程度的提高，克服了众多作业环节中人为因素的影响．加上投资少 (每台售价 3— 5万元 )，占地面积小，适应于个体小作坊的作业生产，因而深受用户的欢迎，也使包装机械的成长有了新的发展目标和前景，小袋物品的包装质量也有了质的飞跃．
2 小型包装机存在的问题尽管小型全自动包装机的出现，给日益繁荣的市场经济带来了新的气象与生机，但人们很快发现目前市场上现有的包装机传动链长，传动机构复杂，
一台驱动电机通过多级传动齿轮、离合器的组合．将主运动分解，进而实现包装的各种动作要求，
当所包装物品发生变化，制袋材料及尺寸发生变化或机械传动链本身的动态误差发生变化时，各部分动作的协调调整十分困难．为说明问题，我们以 100 g小包装广告宣传用奥妙赠品洗衣粉的自动化包装为例加以说明：散装的洗衣粉经过包装机分装成 100 的小袋，需要经过以下三步动作：
自动落料 —— 制袋 —— 分割切断现有包装机通常采用一台电机为驱动元件，经过许多齿轮、凸轮机构、离合器的组合，将主运动分解为三个执行机构的单独动作，然后按一定的协调动作要求同步完成．
如果包装机的生产效率是 60袋 /分，那么自动落料时间应该尽可能小于 0,6 s，否则可能会出现计量不准 (顶封切断时，落料仍在延续 )或落料粉尘造成封口不严。制袋可以连续匀速进行，如果每个包装袋的长度为 150 mm，那么制袋两侧的牵伸、热封轮就应以 150mm/s的线速度匀速转动，把一卷
(也可以是两卷 )包装膜滚压成规定的筒状，以便于物料的灌装．包装袋的底封可以与分割切断同步进行，也可以分开进行．如果是同步进行，则要求底封切断机构，在两侧牵伸热封轮每转过 150 mm时，
迅速准确地实现底封与切断动作。
假设底封宽度为 10 mm，切刀位置在底封中间，则切断后的底封宽度，一半为已包装袋的顶封，另一半为未包装袋的底封．采用现有纯机械传动方案的包装机，要实现上述动作的理想状态，存在以下问题：
2,1 包装袋长的误差无法随机补偿调整、在机械传动的制袋过程中，袋长动态误差产生的原因是多方面的，如包装袋材料的均匀性，牵伸力变化引起牵伸量的变化．机械磨损机械振动产生的误差等等，
假设包装袋的印刷尺寸与机械传动产生的实际误差为 0.1 mm．按包装袋光电检测标识允许的误差为 10mm，那么现有的包装机每包装 100袋就必须停机调整一次．这就大大影响了生产效率．
2,2 包装橱料的计量误差调整困难，现有包装机所包装物料计量检测后的调整，以目前的传动方式必须在停机条件下进行．不论采用容积量杯式落料方案．还是螺旋推进式落料方案，都无法实现动态检测、随机调整．这样，调整非常麻烦，调整时间长 (很难在短时间内实现理想的计量误差 )，调整期间废品量大．计量精度难以提高．
2,3 袋长变化十分困难；当所包装物料品种、比重、计量要求发生变化时．目前传动方案要实现袋长变化，必须按传动协调性要求．更换大量的中间传动零件 (齿轮、凸轮等 )，这样就限制了现有包装机针对包装物料的通用性。
3、新型包装机的传动方案设计构想：
针对目前小型包装机存在的上述缺陷，笔者提出了用三台步进电机分别实现落料、制袋、切断独立动作的设计方案,用一台步进电机驱动螺旋推进器自动落料．假设一袋物料需用 1500个脉冲信号完成，按 60袋／ min的生产效率．可在 0,4 s内完成
1400个脉冲的快速落料，再用 0,2 s实现 100个脉冲的慢速落料，通过电子秤的动态计量，将计量误差信号反馈到计算机系统，随机调整落料步进电机的驱动脉冲数，即可实现十分准确的包装计量要求；另外，在所包装物料品种、比重、计量发生变化时，相应的随机调整通过加减脉冲数实现．也十分快捷方便。这是原有传统机械方案无法实现的。
制袋与分割也用两台步进电机分别驱动，制袋电机以每分钟 60个袋长的线速度匀速转动 (按步距角确定每个袋长对应的脉冲当量数，由驱动电源均匀提供驱动脉冲电流 )或循环间歇式转动．底封分割的驱动步进电机，按对应袋长的转角要求间歇转动，实现底封切断的同步动作要求．当袋长出现动态误差，井超出光电检测标记允许的误差范围时，
检测信号反馈到计算机系统．并随机调整切断步进电机的延时间隔 (包装袋的切断分割是在瞬间完成的．每次切断动作转角对应的电机驱动脉冲数也是固定不变的。切断后的实际袋长取决于两次切割动作的时间问隔，也就是延时间隔 )，就可以十分方便地克服袋长的动态误差影响，使包装机一直连续地工作．保持稳定的生产效率．当包装物料的品种变化．要求包装袋尺寸相应改变时，通过延时间隔的调整，即可十分方便快捷地满足要求．
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4、物料包装的计量方案研究：
商品包装是一个新兴的行业，是在商品经济日盏繁荣，市场竞争日趋激烈的新形势下，逐步成长起来的。在商品流通中，人们对粉状颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面．一是要求包装美观，以便吸引顾客，并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。其二是要求包装袋内的商品计量准确，误差小 (包装行业标准要求计量误差小于 5‰ ),以维护商品生产厂商的信誉,形象。因此商品包装的精确计量．是包装行业时刻关注的一项重要课题。
4--1 定容积式计量装置在现有小型全自动包装机中，定容积式自动计量的方案有以下几种：图 1为定容积量杯式计量方案．如方案 a所示：转盘 2随轴 1在原动机的驱动下转动。转盘 2上固定有定容积式量杯 6。料斗 4、
刮板 3、透明罩 5随机架固定不动，且刮板 3、透明罩 5与活动转盘 2上平面形成一定容积的料仓 (为 l
／ 2转盘面积。由料斗 4朴充上料 )。当转盘 2上的定容积量杯 6转人由刮板 3隔断的料仓时，量杯内充填粉状颗粒状物料；转过 180度，量杯上口被刮板刮平：再转一定角度到卸料口时，由机构顶开量杯的下底盖 7，将定容积的物料饲入落料口，以完成定计量自动落料的动作要求。
图 1(b)为移动式定容积量杯自动计量的方案。科斗 11固定在机架上．由匀速转动的搅拌器 10阻止物料结块．保证落人量杯的物科比重均匀。安装在滑板上的定容积式量杯，在滑板等幅往复滑移时，
将物料填入量杯刮平，再落入出料口。
图 1（ C）为转鼓定容积式计量方式，料斗 1随机架固定．转鼓 3由原动机驱动作匀速转动，每转动
90度即从料斗中分离出一定容积的物料，再转 90
度把定容积的物科送入包装漏斗 7，经制袋切断机构的协调动作，将散装的粉粒颗粒状商品分装成小袋商品。
上述三种方案都是间歇式落科方案，也就是两次落料过程之间有一定的时间间隔．这样有利于包装制袋的横封．并保证转鼓、量杯计量的物品与落人包装袋中的物料容积保持一致．以确保计量的相对准确性。
图 1（ D)为螺旋输送式定容积计量方案，螺旋推进器 8通过皮带传动,由主电机 1驱使转动，落料量的多少可由电磁闸门 7的动作控制，也可由电磁离合器 l0控制。
上述几种落料计量方案，结构简单，动作灵活，传动效率高。但定容积量杯和转鼓容积不可调整。只能适用于某单一品种的某一限定计量的包装。且由于量杯、转鼓的制造误差，加上物料的密度变化，计量误差无法调整 ;螺旋输送式计量虽可调整，但调整误差，动作不够敏捷，面对品种繁多的商品自动化包装要求，上述计量方案实用意义不大，都需要改进。
4--2 容积可调式量杯计量装置如图所示为容积可调式量杯计量的食盐全自动包装机，计量 为 5oog／袋，生产效率 60袋／ min，
因湿度影响盐的比重，故要求计量误差可调，其自动计量方案如图所示。料斗 1、罩壳 4、刮板 3固定联接在可调心轴 2上，可调心轴 2与固定心轴 6采用螺纹联接，由锁紧螺母 9并紧后固定在机架平板 17
上，使上述各部件工作时保持静止不动。其中罩壳
4、刮板 3与转盘 5的上平面组成一个 1／ 4圆的密封料仓，由料斗 1补充盐粉。转盘 5由减速电机 20通过链轮 11、滚子链齿圈 1O驱使转动；转盘 5与滚子链齿圈 10采用六条滑键配合连接。 (六条滑键用螺钉固定在滚子链齿圈 1O上，在转盘 5圆周面上均匀开设六条长圆孔，六条滑键插在长圆孔内，与长圆孔侧面保持线接触，以减小接触应力，并使转盘 5相对机架平板 17作升降调整时，（滚子链齿圈 10相对于链轮 11的水平位置不变）滚子链齿圈 l0沿滚拄分布圆等距均布有 204个 7,95mm的圆柱销通孔，并等距安装有 204个西 7,95mm的 B型 (GB882— 86)圆柱销，
各圆柱销同中心距为 12.7mm，从而形成滚子链内齿圈 l0与链轮 ll(齿距 12.7mm,17齿 )按 l,l2的减速比传动；当减速电机 20以 36Or／ min的转速驱使链轮 ll转动时，转盘 5将以 30r／ min的转速与滚子链齿圈 l0同步转动。在转盘 5上焊接固定有两个大量杯 7，另有两个小量杯 8活套在大量杯 7内。两个量杯的容积组台可实现盐粉从 300g至 80g的计量调整要求。 也可满足多种商品如白糖、碱面、淀粉、
味精等的自动包装计量要求。
计量调整时，松开锁紧螺母 9，转动可调心轴 2，
可实现转盘 5相对机架平板 17的上下 (高低 )位置调整，从而实现大小量杯 7,8组合的容积变化。当然这种调整必须在停机条件下进行，调整过程也比较麻烦，调整后须及时并紧锁紧螺母 9。考虑两组量杯的制造会有尺寸误差，在小量杯下端装有活套圈 21，当两组量杯组合后容积不一致时，可微调其中一个小量杯的相对高度，再用紧定螺钉固定小量杯 8与活套圈 21的相对位置，使两组量杯的组合容积趋于一致，活套圈的另一个作用是增加与机架平板 17的接触面积，减少磨损和摩擦阻力，并减少量杯底部在平板 17上滑移时的盐粉泄漏。在小量杯底部装一圆形橡皮舌 头,当量杯在平板 17上滑移时，
橡皮舌头作底与平板接触，以减少盐粉泄漏；当量量杯落料时，橡皮舌头被盐粉压人长圆孔，随后又自动翻起，形成小量杯底。 当组合量杯随转盘 5转人料仓位置时，盐粉自动填充量杯，并在刮板 3处刮平，再转至平板 l7的长圆孔处卸料，把量杯计量的盐粉，通过漏斗 19倒人盐袋之中。当转盘以 30r
／ min的转速均速转动时，通过转盘上的两组量杯即可实现 60袋／ min的小袋盐粉包装自动计量要求,
容积可调式量杯计量方案在一定范围内满足了多品种物料包装的计量要求。经过细致的调整，可满足较高的计量精度要求，而且调整后，可保持相对稳定的工作状态，生产效率较高。缺点是调整十分麻烦，必须停机调整，而且结构比较复杂。
3 容积可调式动态计量装置为了实现更高的计量精度要求，笔者又设计制作了适合于动态计量误差检测和调整的新式计量装置如图所示。这套计量装置采用步进电机为驱动元件．直接驱动螺旋推进器计量所包装的物料。我们仍以盐粉作为包装物品，按理论计算，采用内径
Φ 2Omm，外径 Ф5Omm，螺距 40mm的推进螺旋，选用 130BC3100A型步进电机 (步距角 1.2° )，
需用 1770个脉冲当量即可实现 5O0g食盐的计量，
每次计量运行时间为 0,5秒。假设包装机的生产效率仍为 60袋／ min，我们可用 0.5秒钟完成 1720
个工作脉冲的快速落料，用 0.1— 0.2秒实现 50个脉冲的慢速调整计量，再把整个落料过程电子秤动态检测得的计量误差反馈到计算机系统，相应作出反应，随机调整落料计量步进电机的驱动脉冲电流数，这样就实现了商品包装中自动计量误差的动态调整，进而实现更高的计量精度要求。
容积可调式动态计量装置，不仅操作方便，计量准确，适应性广泛，结构也十分简单，是值得推广的计量方式。尽管在调试中也发现了一些不尽人意的问题：如用步进电机作驱动元件，成本较高；
步进电机矩颧特性与样本显示的数据总有一定差距，
影响了计量装置的工作性能与可靠性；从检测手段上动态计量误差调整的理想化还有待于进一步的解决。但笔者深信．随着科技进步的发展，步进电机应用的日益广泛，其成本会逐步降低，步进电机的性能也会不断提高，小袋物品包装的动态计量调整，作为包装行业的发展方向，一定会很快得以发展、进步、完善、提高。
